Dos equipos del Barcelona Knowledge Campus, uno de la Universidad de Barcelona (UB) y otro de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), en colaboración con un equipo de la Universidad de Duisburg-Essen (Alemania), han creado un nuevo material sólido que tiene un efecto calórico al aplicar una presión hidrostática mediante un sistema de alta presión, único en España y diseñado en la UPC. La investigación, impulsada por el Protocolo de Kioto, tiene como objetivo renovar los sistemas actuales de refrigeración basados en la compresión de gases nocivos para la atmósfera.
La búsqueda de materiales con propiedades calóricas a temperatura ambiente es uno de los caminos que se están explorando para desarrollar nuevos sistemas de refrigeración para estas temperaturas. Hasta ahora, los materiales más prometedores en el campo de la refrigeración eran los llamados magnetocalóricos, aquellos que cambian de temperatura con la aplicación de un campo magnético externo.
En este trabajo se muestra que la aplicación de una presión hidrostática moderada sobre una aleación de níquel, manganeso e indio (Ni-Mn-In) provoca unos resultados comparables a los mejores resultados obtenidos para materiales magnetocalóricos. Según Lluís Mañosa, catedrático del Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la UB e investigador principal del estudio, "el objetivo de este campo de investigación es encontrar materiales eficientes, económicos y respetuosos con el medio ambiente, y la ventaja de la aleación utilizada en este trabajo es que todos los materiales que la forman cumplen estas características".
Por otra parte, tal como apunta Antonio Planes, catedrático del mismo departamento de la UB, "con este tipo de material se pueden alcanzar cambios de temperatura suficientemente grandes mediante cambios de presión moderados, lo que permitiría una buena implementación en sistemas de refrigeración doméstica (neveras, aire acondicionado, etc.)".
Cuando sobre estas aleaciones se aplica un campo externo, ya sea magnético o de presión, se consigue que el material presente una transición de fase en estado sólido, y "este cambio de fase —explica Lluís Mañosa— conlleva un intercambio de calor latente importante". El principio físico es el mismo que se produce cuando se funde un cubito de hielo en un vaso de agua. El hielo absorbe calor del líquido y por eso lo enfría.
Lo que puede hacer la alta presión
Para llevar a cabo el experimento, se ha utilizado un sistema de alta presión, único en España, desarrollado por el Grupo de Caracterización de Materiales dirigido por Josep Lluís Tamarit, catedrático del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear de la UPC, para medir las temperaturas de los cambios de estado, en función de la presión y el calor intercambiado en el proceso.
Según la investigadora María Barrio, del mismo departamento de la UPC y coautora del trabajo, "la exploración del comportamiento de los materiales en función de la presión abre un gran abanico de posibilidades en muchos campos". Estos campos de aplicación pueden ser diferentes sistemas de refrigeración, como las neveras domésticas y los aparatos de aire acondicionado, además de equipos de conservación alimentaria, máquinas industriales y grandes ordenadores.
El efecto magnetocalórico se conocía desde hace tiempo y se utilizaba para alcanzar temperaturas muy bajas, pero hasta la década de los noventa no se encontraron materiales que tuvieran un efecto magnetocalórico muy grande a temperatura ambiente, lo cual se bautizó como efecto magnetocalórico gigante.
En 2005, en un artículo publicado en la revista Nature Materials, se presentaba el efecto magnetocalórico inverso: cuando se aplicaba un campo magnético sobre el material, éste es enfriaba, en lugar de calentarse como hacen la mayoría de materiales magnéticos. Este nuevo trabajo, fruto de la tesis doctoral de Xavier Moya, dirigida por el catedrático Luis Mañosa (UB), fue reconocido con el Premio Ramon Margalef 2009 del Consejo Social de la UB.
Además del efecto barocalórico ya mencionado, la aleación de Ni-Mn-In también tiene un efecto magnetocalórico inverso. Así pues, existe la posibilidad de combinar el campo magnético con la presión hidrostática para producir efecto calórico, lo cual permitiría contar con diferentes parámetros para el control de la temperatura. Es decir, este nuevo material permite controlar la presión y el campo magnético para poder tener un mayor dominio del cambio de estado a la temperatura deseada.
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Referencia bibliográfica:
Mañosa, Lluís; González-Alonso, David; Planes, Antoni; Bonnot, Erell; Barrio, Maria; Tamarit, Josep-Lluís; Aksoy, Seda; Acet, Mehmet. "Giant solid-state barocaloric effect in the Ni-Mn-In magnetic shape-memory alloy". Nature Materials. Online 4 de abril de 2010. doi:10.1038/nmat2731.
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