Físicos de la Universidad de Colorado Boulder han desarrollado un nuevo material aislante para ventanas que podría mejorar significativamente la forma en que los edificios de todo el mundo manejan el calor. Sus creaciones son algo así como una forma de plástico de burbujas de alta tecnología, pero diseñadas para la eficiencia energética en lugar del embalaje.
El material se llama aislante térmico mesoporoso ópticamente transparente o MOCHI. Puede fabricarse en forma de bloques gruesos o láminas delgadas y flexibles que se unen a la superficie interior de las ventanas estándar. Actualmente, MOCHI sólo se produce en laboratorios y aún no está disponible para los consumidores, pero los investigadores informan que es duradero y se absorbe casi por completo.
Debido a su transparencia, MOCHI mantiene una vista sin obstáculos, lo que lo distingue de muchos otros productos aislantes para ventanas.
“Para bloquear el intercambio de calor, puedes poner mucho aislamiento en las paredes, pero las ventanas deben ser transparentes”, dijo Ivan Smalyukh, autor principal del estudio y profesor de física en CU Boulder. “Encontrar aisladores transparentes es realmente un desafío”.
El equipo de investigación publicó sus hallazgos en la revista el 11 de diciembre. ciencia.
¿Por qué es importante la pérdida de calor de las ventanas?
Los edificios de todo tipo, desde viviendas hasta grandes torres de oficinas, representan alrededor del 40% del consumo energético mundial. Gran parte de esa energía se pierde cuando el calor se escapa al exterior en invierno o ingresa a los edificios cuando hace calor.
Smalyukh y sus colegas esperan que MOCHI ralentice ese flujo de calor no deseado.
El nuevo material es un gel a base de silicona con una estructura interna compleja. Contiene aire atrapado en poros extremadamente finos que son mucho más delgados que un cabello humano. Estas bolsas microscópicas hacen de MOCHI una excelente barrera térmica. De hecho, una lámina de sólo 5 milímetros de espesor es suficiente para que una persona sostenga una llama con seguridad.
“No importa cuál sea la temperatura exterior, queremos que la gente pueda alcanzar una temperatura cómoda en el interior sin desperdiciar energía”, dijo Smalyukh, miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible (RASEI) de CU Boulder.
Cómo MOCHI controla la luz y el calor
Smalyukh describe la clave del rendimiento de MOCHI en sus bolsas de aire diseñadas con precisión.
El nuevo material es similar al aerogel, un conocido aislante utilizado en muchas industrias. (La NASA utiliza aerogeles dentro de su vehículo de Marte para mantener calientes los componentes electrónicos). Los aerogeles también se basan en poros llenos de aire, pero estos poros suelen estar dispuestos en un patrón aleatorio que dispersa la luz. Esta es la razón por la que los aerosoles suelen tener un aspecto turbio y, a veces, se les denomina “humo congelado”.
El equipo de CU Boulder quería un material aislante que mantuviera la transparencia y al mismo tiempo proporcionara una fuerte resistencia térmica.
Para crear MOCHI, los investigadores combinaron moléculas de surfactante con una mezcla líquida. Estas moléculas se agrupan naturalmente en formas similares a hilos, algo así como la separación que ocurre cuando se forman las capas de aceite y vinagre en un aderezo para ensaladas. Las moléculas de silicio de la misma mezcla se adhieren a la superficie de esos diminutos hilos.
A través de varios pasos controlados, los investigadores eliminaron los cúmulos de detergente y los reemplazaron con aire. Deja una estructura de silicio que rodea una red de canales ultrapequeños llenos de aire. Smalyukh comparó el complejo patrón con la “pesadilla de un fontanero”.
El aire representa más del 90% del volumen de MOCHI.
Discontinuación del calor a escala molecular.
El calor viaja a través de un gas de una manera análoga a una reacción en cadena estilo billar. La energía hace que las moléculas de gas y los átomos se aceleren y choquen entre sí, transmitiendo calor al chocar.
Los poros del interior de MOCHI son tan pequeños que las moléculas de gas no pueden chocar libremente. En cambio, golpean repetidamente la pared de silicio, lo que impide que el calor se disipe fácilmente a través del material.
“Las moléculas no tienen la posibilidad de chocar libremente entre sí e intercambiar energía”, dijo Smalyukh. “En lugar de eso, chocaron contra la pared de los poros”.
A pesar de esta poderosa capacidad de bloqueo del calor, MOCHI refleja solo el 0,2% de la luz entrante, permitiendo que pase casi toda la luz visible.
Usos potenciales y desarrollos futuros
Los investigadores prevén muchas aplicaciones para un material transparente que atrape eficazmente el calor. Una posibilidad es un dispositivo que capture el calor de la luz solar y lo convierta en energía sostenible y de bajo costo.
“Incluso cuando es un día ligeramente nublado, aún puedes usar mucha energía y luego usarla para calentar el agua y el interior de tu edificio”, dijo Smalyukh.
Por ahora, MOCHI no está listo para su lanzamiento comercial. Su producción en laboratorio requiere mucho tiempo, aunque Smalyukh cree que se pueden desarrollar métodos de producción más eficientes. Los materiales utilizados para fabricar MOCHI son de costo relativamente bajo, lo que respalda el potencial a largo plazo para ampliar la tecnología.
Por el momento, las perspectivas para MOCHI siguen siendo prometedoras, parecidas a las de una visión clara a través de una ventana recubierta con este material.
Los coautores del estudio incluyen a Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Eldo Abraham y Taiwo Li, todos investigadores asociados postdoctorales en el Departamento de Física de CU Boulder. Bohdan Seniuk, Jan Bert ten Hove y Vladislav Cherpak, ex investigadores postdoctorales en CU Boulder, también contribuyeron como coautores.
