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Friday, November 25, 2016

Weekly Tip INAMAT: Refrigeración de estado sólido. Una alternativa ecológica a los gases de efecto invernadero

Por Vicente Recarte

El calentamiento global y la finitud de los recursos energéticos hacen que la degradación del medio ambiente y la eficiencia energética sean dos de las mayores preocupaciones de la sociedad actual. En este sentido, la búsqueda de fuentes de energía sostenibles y respetuosas con el medio ambiente y el desarrollo de tecnología nueva y optimizada para su utilización en dispositivos prácticos son dos de los grandes retos de nuestra sociedad. Los sistemas de refrigeración son necesarios en la vida cotidiana para la conservación de alimentos y climatización de espacios. En la industria y en el desarrollo tecnológico son infinidad los procesos donde es necesaria la refrigeración. Solamente en el ámbito doméstico hay más de 1.500 millones de unidades de refrigeración en el mundo y suponen el 15% del consumo de energía doméstica.

Las leyes de la física dictan que para enfriar algo (extraer energía en forma de calor) se debe calentar otro cuerpo (es decir, cederle calor) y, además, aportar energía en forma de trabajo, lo que implica el consumo de energía eléctrica.  La tecnología actual de refrigeración está basada casi completamente en el enfriamiento de un gas en un ciclo de compresión-expansión. Esta es una tecnología antigua que, a pesar de los grandes avances, sigue siendo poco eficaz, consiguiéndose eficiencias del orden del 60 % del máximo teórico alcanzable definido por el ciclo de Carnot.  Además, los gases refrigerantes usados en los procesos de enfriamiento por compresión-expansión (hidroclorofluorocarbonos) son generalmente nocivos para el medioambiente por sus efectos en el agotamiento del ozono y el efecto invernadero, y el uso de compresores implica vibraciones y ruido que contribuyen al incremento de la contaminación acústica. Por otra parte, esta tecnología limita la miniaturización de los sistemas refrigerantes, lo que impide su integración en microchips de silicio y el desarrollo de microrefrigeradores. Por último, el uso de este método de refrigeración presenta serias limitaciones en aplicaciones criogénicas a muy bajas temperaturas, donde los sistemas clásicos dejan de funcionar al producirse la licuación/condensación de los gases.

El enfriamiento de estado sólido, donde en el proceso cíclico se sustituye el gas de intercambio de calor por un material en estado sólido, ofrece una solución competitiva y sostenible a toda esta problemática. Es una tecnología limpia y eficiente que utiliza la relajación adiabática de un parámetro de orden (eléctrico, magnético o elástico) en un refrigerante sólido para producir una reducción de su temperatura. La eficiencia se acerca al  75% del máximo teórico, no se usan gases nocivos, se eliminan el ruido y las vibraciones y se pueden construir aparatos mucho más compactos.

La variación de la magnitud de un campo externo (eléctrico, magnético, mecánico) aplicado sobre un material induce un cambio en la temperatura del mismo. Esta propiedad es conocida como efecto calórico y se produce en todos los materiales. El cambio inducido en la temperatura propiciará la cesión o absorción de calor entre dicho material y el entorno, actuando así como medio de intercambio. Alrededor de temperatura ambiente la magnitud de tal efecto calórico es generalmente pequeña y el cambio de temperatura inducido sólo se hace relativamente grande a temperaturas muy bajas, donde el calor específico del material es bajo. Por esta razón, la refrigeración basada en un campo externo inicialmente (ya desde los años 30 del siglo pasado) se limitó a aplicaciones a muy bajas temperaturas, lográndose alcanzar temperaturas criogénicas del orden de los mK mediante la aplicación-eliminación de un campo magnético (efecto magnetocalórico) en sales paramagnéticas,

A finales de los años noventa se descubrió un efecto magnetocalórico gigante en torno a temperatura ambiente ligado a la presencia de una transición de fase sólido-sólido de primer orden en compuestos de Gadolinio, lo que incrementó la viabilidad de la refrigeración de estado sólido al ampliarse considerablemente el rango de temperatura de uso y la capacidad de refrigeración. En las transiciones de primer orden una cantidad fija de masa libera o absorbe una cantidad fija de calor, denominado calor latente, que se puede emplear en el proceso cíclico de refrigeración. Así, si hay alguna variable termodinámica (como la imanación, la deformación, el volumen o la polarización eléctrica) que cambia en la transición entre las dos fases sólidas, se abre la posibilidad de inducir dicha transición mediante la aplicación del campo termodinámico asociado (es decir, el campo magnético, la tensión mecánica, la presión hidrostática y el campo eléctrico), dando lugar a los denominados efectos magnetocalórico,  elastocalórico, barocalórico y electrocalórico. 

Una nueva vía de optimización de dichos efectos calóricos se ha abierto a lo largo de esta década mediante el uso de los denominados materiales multiferroicos, en los cuales las fases presentan al menos dos tipos de orden  ferroico (magnético, eléctrico, etc) que pueden dan lugar al acoplamiento de varios efectos calóricos. Estos materiales permitirán mejorar la capacidad de refrigeración mediante la implementación de ciclos donde se combinen varios de los citados campos externos.

A día de hoy la refrigeración basada en dispositivos de estado sólido es una realidad y una alternativa viable al ciclo de compresión-expansión. Diversos laboratorios han desarrollados prototipos y  dispositivos basados en los diferentes efectos calóricos y, como ejemplo, ya se están comercializando expositores de alimentos refrigerados basados en el efecto magnetocalórico. La optimización de dicha tecnología es un proceso multidisciplinar que implica a diferentes campos de la ciencia y la tecnología, desde la búsqueda de nuevos materiales y la mejora de sus propiedades hasta el diseño y desarrollo de los procesos cíclicos que constituyen el dispositivo refrigerador. Así, por ejemplo, en el campo de los materiales se está realizando un gran esfuerzo en el desarrollo de compuestos magnéticos que presenten efecto magnetocalórico  para valores cada vez menores de campo aplicado, intentándose reducir los procesos irreversibles presentes en las transiciones de fase de primer orden entre dos fases sólidas y mejorar  las propiedades mecánicas de las mismas para reducir la fractura por  fragilidad y fatiga inherentes al ciclado mecánico. No sólo es importante mejorar las propiedades del material activo sino también mejorar las capacidades de los dispositivos generadores del campo aplicado, lo que hace que también se esté trabajando intensamente en del desarrollo de imanes permanentes más potentes a menor coste económico. En resumen, el desarrollo de una tecnología de refrigeración limpia y no agresiva con el medioambiente es un reto  prioritario en nuestra sociedad y supone un campo de trabajo fascinante para la tecnología de los materiales.

Vicente Recarte - INAMAT inamat[arroba]unavarra.es



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