Sistemas de refrigeración con menor impacto medioambiental

El grupo de investigación Sólidos no cristalinos de la Universidad de Sevilla, en colaboración con la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania) han demostrado cómo obtener sistemas de refrigeración más eficientes y con menor impacto ambiental. Estos avances permitirán controlar la temperatura de cualquier espacio con un menor impacto medioambiental, gracias a la reducción de emisiones de gases, así como producir vehículos eléctricos con mayor autonomía, debido al menor consumo de su sistema de aire acondicionado.

Los autores, que publican su estudio en la revista Nature Communications, plantean un nuevo método cuantitativo para determinar el orden de las transiciones de fase termomagnéticas. El conocimiento de las características de una transición de fase (cambios de solido a líquido o gas, por ejemplo) tiene importantes aplicaciones en tecnología, en campos que van desde la transformación de energía hasta los sistemas de almacenamiento de información.

En el caso concreto de las transiciones de fase termomagnéticas (donde ya interviene la temperatura y cambios en el estado magnético del material), su aplicación fundamental está orientada al diseño y desarrollo de sistemas de refrigeración con un menor impacto medioambiental, puesto que no emplean gases que contribuyan al efecto invernadero o alteren la capa de ozono, a la vez que superan la eficiencia energética de los mejores frigoríficos y aires acondicionados del mercado.

Una gran cantidad de dispositivos que empleamos hoy en día se basan en esta combinación de fases y en la transformación de unas en otras. “Si somos capaces de describir estas transformaciones de una manera adecuada, podremos prever el comportamiento de los dispositivos en situaciones de operación reales y seremos capaces de diseñar dispositivos más eficientes”, explica el catedrático de Física Victorino Franco García.

"Si nos centramos en los sistemas de refrigeración –añade–, una gran parte de la energía consumida en nuestra sociedad se emplea en sistemas de control de temperatura. La mejora de la eficiencia energética de los sistemas de refrigeración tendrá un impacto socioeconómico muy importante, permitiéndonos mantener nuestro estilo de vida de una manera más sostenible y facilitando que países en vías de desarrollo puedan alcanzar estos estándares de una manera más respetuosa con el medio ambiente”.

Vehículos eléctricos con más autonomía

Si bien los vehículos actuales nos permiten realizar viajes de duración considerable, la distancia recorrida se reduce considerablemente en cuanto conectamos el aire acondicionado. Al igual que los frigoríficos de casa, los aires acondicionados de los vehículos actuales se basan en la compresión y expansión de gases, que sufren una transformación de fase de líquido a gas.

Una de las líneas de trabajo más importantes de este grupo de expertos de la Universidad de Sevilla es conseguir reemplazar estos sistemas de refrigeración por otros en los que la transformación de fase no sea de un gas sino del estado magnético de un sólido, del ordenamiento de los momentos magnéticos en el material. Esto plantea numerosas ventajas: mientras que si usamos gases puede haber fugas en el circuito (que detectamos habitualmente en los meses de verano más calurosos, cuando más necesitamos el aire acondicionado), no hay fugas del sólido que empleamos como refrigerante magnético.

Al no usar gases no dañamos la capa de ozono y no contribuimos al efecto invernadero. Y, “lo más importante de todo, los refrigeradores magnéticos pueden ser un 50% más eficientes que los aires acondicionados convencionales. Por lo tanto, su implementación en vehículos eléctricos nos puede ayudar a realizar viajes más largos entre cada recarga de las baterías”, afirman los expertos.

De este modo, la propuesta del equipo puede ayudar a seleccionar, de una manera eficiente y fiable, materiales magnetocalóricos que permitan optimizar los dispositivos del futuro.

De hielo a agua

El ejemplo más sencillo de transición de fase que se emplea casi a diario es la transformación de hielo en agua. Tanto el hielo como el agua tienen la misma composición química, pero la estructura de estas dos fases es distinta (sólido vs. líquido). Para transformar el hielo en agua se suministra calor a ese sólido, cosa que hacemos mediante la bebida en la que lo hemos sumergido. De este modo conseguimos mantener el líquido a una temperatura prácticamente constante, más baja que la del ambiente, durante un periodo de tiempo relativamente largo.

Existen otras transiciones de fase que no están relacionada con la estructura cristalina, sino con el orden magnético de los materiales, como es el caso de los componentes informáticos.

Asimismo, “hay transiciones de fase que son muy beneficiosas para nuestro modo de vida y otras que pueden ser perjudiciales para el fin que perseguimos. El estudio de las transiciones de fase nos permite evitar las perjudiciales y potenciar las aplicaciones de las otras”, comenta el investigador y coautor del estudio, que ha ganado el concurso al Mejor Artículo del Año 2018 de la Facultad de Física de la Universidad de Sevilla.