El incert futur dels actuals refrigeradors i aires condicionats

Andy Shell/Shutterstock

Josep Lluís Tamarit, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech i Pol Lloveras, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech

Prendre un refresc o gaudir d’un ambient confortable en un calorós dia d’estiu semblen avui en dia activitats gairebé trivials. Igualment, es donen per assegurades necessitats més essencials com el transport i emmagatzematge de béns peribles, com aliments o medicines, i el manteniment de condicions adequades en espais habitables, així com en la indústria i en l’àmbit de les tecnologies de la informació.

No obstant això, totes aquestes prestacions són en realitat luxes primermundistes que requereixen tecnologies de refrigeració que comporten un alt cost ambiental, especialment a causa del seu ús massiu i el seu creixement continu.

Es calcula que a dia d’avui hi ha instal·lats uns 3 600 milions d’aparells d’aire condicionat a tot el món, nombre que es multiplicarà per quatre en els propers 30 anys a causa del creixement de les classes mitjanes als països en vies de desenvolupament.

El fred artificial ja suposa el 20% de l’energia total consumida en edificis, tant en habitatges com en locals comercials, de manera que qualsevol millora en l’eficiència dels dispositius de refrigeració resulta altament desitjable.

A més, la tecnologia de refrigeració més estesa planteja un altre problema de gran magnitud derivat de l’ús de fluids molt perjudicials per al medi ambient. Ja fa més de dues dècades que es van prohibir els clorofluorocarbonis per la seva capacitat de degradació de la capa d’ozó. Però els compostos utilitzats actualment, hidroclorofluorocarbonis i hidrofluorocarbonis, presenten un potencial d’efecte hivernacle fins a més de mil vegades més gran que el diòxid de carboni.

S’estima que el 2050 l’alliberament, accidental però freqüent, d’aquests gasos suposarà gairebé el 10% del total d’emissions equivalents de CO₂ i per això la Unió Europea preveu la seva eliminació progressiva a la propera dècada. Es fa evident, doncs, que en la lluita contra el canvi climàtic es requereix el desenvolupament de tecnologies més eficients i més respectuoses amb el medi ambient.

Alternatives als mètodes actuals

La tecnologia de refrigeració més utilitzada avui en dia es basa en un cicle de compressió i expansió d’un fluid durant el qual aquest pateix un procés de condensació i evaporació. Aquest mètode permet controlar l’intercanvi de calor associat a la transformació líquid-vapor mitjançant un treball extern de compressió i va ser concebut i desenvolupat durant el segle XIX gràcies a la formulació de la termodinàmica. El seu èxit rau en el fet que la calor d’evaporació és gran i, per tant, l’efecte refrigerant també ho és.

No obstant això, a causa dels inconvenients esmentats anteriorment, en temps recents s’han vingut investigant possibles alternatives. En un informe de l’any 2014 realitzat pel Departament d’Energia dels Estats Units amb el propòsit d’identificar les diferents opcions, es van postular dos mètodes anomenats elastocalòric i magnetocalòric entre els més prometedors. Aquests s’hagin entre els anomenats mètodes calòrics d’estat sòlid que, d’una banda, eviten l’ús de fluids nocius i, de l’altra, presenten millors eficiències.

De manera anàloga als compressors de gasos, aquestes tècniques consisteixen en controlar l’intercanvi de calor associat a transformacions que ocorren en l’estat sòlid mitjançant l’aplicació d’un camp extern. La naturalesa d’aquest camp vindrà determinada per la magnitud física que pateixi un canvi durant la transformació i marcarà la denominació dels efectes calòrics corresponents.

Així, els efectes magnetocalòrics, electrocalòrics, elastocalòrics i barocalòrics es refereixen a aquells obtinguts mitjançant aplicació d’un camp magnètic, elèctric, d’esforç o de pressió hidrostàtica, respectivament. Es podran obtenir en transformacions que involucrin canvis en la magnetització, polarització, deformació i volum. Actualment ja hi ha prototips basats en aquests efectes magnetocalòrics, electrocalòrics i elastocalòrics, però encara estan lluny d’una possible implementació comercial.

La investigació en efectes barocalòrics és més recent i encara no s’han desenvolupat prototips. Encara que recentment s’han produït avenços significatius en aquest camp.

Les particularitats dels sòlids

Igual que ocorre amb els compressors de gasos, tan important és la tècnica en si com el material sòlid utilitzat en el cicle, i això ha portat a la recerca de materials òptims per a aquest fi. Un dels problemes generalitzats més significatius que presenten aquests materials és que en les transformacions en sòlids intercanvien energies substancialment menors en comparació amb aquelles que involucren els estats líquid i vapor, de manera que la capacitat refrigerant dels sòlids està lluny dels actuals fluids.

No obstant això, recentment s’ha identificat una família de materials anomenats vidres plàstics que, en alguns casos, presenten una calor de transformació comparable al de l’evaporació. Aquesta energia prové principalment de canvis en l’ordenació de les molècules produïts en aplicar una pressió o un camp elèctric o magnètic. Atès que la transformació del material resultant també comporta un canvi de volum substancial, es pot controlar per aplicació de pressió i per tant dóna lloc a efectes barocalóricos colossals.

Cicle refrigerant basat en efectes barocalóricos en sòlids. Les xarxes de molècules (representades per esferes) corresponen a les diferents estructures internes dels vidres plàstics al llarg del cicle. El color indica el seu canvi de temperatura (de calent a fred: vermell, verd, blau). Les fletxes ondulades indiquen el flux de calor: el cicle absorbeix calor d’una nevera i el cedeix a l’ambient. Author provided

Trobar una alternativa als actuals compressors de gasos segueix sent un repte científic i tecnològic de primer ordre, però la necessitat mediambiental obliga a perseverar en la investigació. Les recents observacions d’efectes barocalóricos colossals en cristalls plàstics signifiquen un salt quantitatiu molt substancial que podria accelerar el desenvolupament de tecnologies de refrigeració basades en l’estat sòlid.

The Conversation

Josep Lluís Tamarit , Investigador del Grup de Caracterització de Materials, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech i Pol Lloveras, Investigador del Departament de Física, Escola d’Enginyeria de Barcelona Est, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech

Aquest article va ser publicat originalment en The Conversation. Llegiu el original.

Visitas totales: Visitas hoy:

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *