Una investigación del Berkeley Lab ha desarrollado un revestimiento de techo inteligente que mantiene las casas calientes durante el invierno y frescas durante el verano, sin consumir gas natural ni electricidad durante todo el año.
Los resultados de la investigación, que se publican en revista 'Science', apuntan a una tecnología innovadora que supera a los sistemas comerciales de techos fríos en cuanto a ahorro de energía.
"Nuestro revestimiento de tejado para todas las estaciones pasa automáticamente de mantener el frío a calentar, en función de la temperatura del aire exterior. Se trata de un sistema de aire acondicionado y calefacción sin energía ni emisiones, todo en un solo dispositivo", afirma en un comunicado Junqiao Wu, científico de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Berkeley que dirigió el estudio.
El problema de muchos sistemas de techos fríos es que siguen irradiando calor en invierno, lo que aumenta los costes de calefacción, explica Wu. "Nuestro nuevo material -llamado revestimiento radiactivo adaptable a la temperatura o TARC- permite ahorrar energía al desactivar automáticamente la refrigeración radiativa en invierno, superando el problema del sobreenfriamiento", añade. El TARC es el primer revestimiento de tejado que cambia automáticamente de enfriamiento cuando hace calor a calentamiento cuando hace frío, regulando su tasa de enfriamiento radiactivo.
Cómo funciona el dióxido de vanadio
"Hace unos años me preguntaba si habría un material que cambiara automáticamente entre el enfriamiento radiactivo cuando hace calor y la retención del calor cuando hace frío --explica--. Y entonces pensé: el dióxido de vanadio puede hacerlo".
Los metales suelen ser buenos conductores de la electricidad y el calor. En 2017, Wu y su equipo de investigación descubrieron que los electrones del dióxido de vanadio se comportan como un metal ante la electricidad pero como un aislante ante el calor, es decir, conducen bien la electricidad sin conducir mucho calor. "Este comportamiento contrasta con la mayoría de los otros metales, donde los electrones conducen el calor y la electricidad de forma proporcional", explica.
El dióxido de vanadio por debajo de unos 67 grados Celsius también es transparente a la luz infrarroja térmica (y por tanto no la absorbe). Pero una vez que el dióxido de vanadio alcanza los 67 grados centígrados, pasa a un estado metálico y absorbe la luz infrarroja térmica. Esta capacidad de pasar de una fase a otra -en este caso, de aislante a metal- es característica de lo que se conoce como material de cambio de fase.
El estudio de Wu de 2017 reveló que la sustitución de solo el 1,5 por ciento del vanadio en el dióxido de vanadio por tungsteno, una técnica llamada "dopaje", reduce el umbral de cambio de fase del material a 25 grados Celsius, una temperatura ideal para las aplicaciones del mundo real.
Para ver cómo funcionaría el dióxido de vanadio en un sistema de tejado, Wu y su equipo diseñaron un dispositivo de película fina TARC de 2 centímetros por 2 centímetros con tres capas: una capa inferior reflectante hecha de plata, una capa intermedia transparente compuesta de fluoruro de bario y una capa superior que contiene bloques ordenados de "islas" de dióxido de vanadio.
El TARC "tiene el aspecto de una cinta adhesiva y puede fijarse a una superficie sólida, como un tejado", explica Wu. El estudio actual demuestra la asombrosa versatilidad del dióxido de vanadio para todo tipo de clima en una película fina de TARC, y compara su rendimiento con un revestimiento comercial de tejado oscuro y otro blanco.
Estudio exhaustivo de los tejados
En un experimento clave, el coautor principal, Kechao Tang, montó un experimento en el tejado de la casa de Wu en East Bay el verano pasado para demostrar la viabilidad de la tecnología en un entorno real.
Un dispositivo de medición inalámbrico instalado en el balcón de Wu registró continuamente las respuestas a los cambios de la luz solar directa y la temperatura exterior de una muestra de TARC, una muestra de tejado oscuro comercial y una muestra de tejado blanco comercial durante varios días.
A continuación, utilizaron los datos del experimento en exteriores para simular el rendimiento de TARC durante todo el año en ciudades que representan 15 zonas climáticas diferentes en todo el territorio continental de Estados Unidos.
Wu recurrió a Ronnen Levinson, coautor del estudio, científico de plantilla y líder del Grupo de Islas de Calor del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley, para que les ayudara a perfeccionar su modelo de temperatura de la superficie de los tejados.
Levinson, que lleva casi tres décadas estudiando la tecnología, las ventajas y las políticas de las superficies frías, como los tejados, las paredes y los pavimentos reflectantes, desarrolló un método para estimar el ahorro energético del TARC a partir de un conjunto de más de 100.000 simulaciones energéticas de edificios que el Grupo de la Isla de Calor realizó previamente para evaluar las ventajas de los tejados y las paredes frías en todo Estados Unidos.
El equipo de Wu utilizó este método para predecir el ahorro energético anual que proporciona el TARC al reducir la necesidad de energía de refrigeración en verano y de calefacción en invierno.
Finnegan Reichertz, un estudiante de 12º curso de la East Bay Innovation Academy de Oakland que trabajó a distancia como becario de verano para Wu el año pasado, ayudó a simular cómo se comportarían el TARC y los demás materiales de cubierta en momentos y días concretos del año para cada una de las 15 ciudades o zonas climáticas que los investigadores estudiaron para el trabajo.
Según los experimentos de simulación, el TARC supera a los revestimientos de tejado existentes en cuanto a ahorro de energía en 12 de las 15 zonas climáticas, sobre todo en regiones con grandes variaciones de temperatura entre el día y la noche. "Con el TARC instalado, el hogar medio de Estados Unidos podría ahorrar hasta un 10 por ciento de electricidad", afirma Tang.
Según las mediciones de los investigadores, el TARC refleja alrededor del 75 por ciento de la luz solar durante todo el año, pero su emitancia térmica es alta (alrededor del 90 por ciento) cuando la temperatura ambiente es cálida (más de 25 grados), lo que favorece la pérdida de calor hacia el cielo. Cuando el tiempo es más frío, la emitancia térmica del TARC pasa automáticamente a ser baja (alrededor del 20 por ciento), lo que ayuda a retener el calor de la absorción solar y de la calefacción interior, explica Levinson.
Los resultados de los experimentos de espectroscopia infrarroja realizados con herramientas avanzadas en la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley validaron las simulaciones.
"La física simple predijo que el TARC funcionaría, pero nos sorprendió que funcionara tan bien --reconoce Wu--. Al principio pensamos que el cambio de calentamiento a enfriamiento no sería tan drástico. Nuestras simulaciones, experimentos al aire libre y en el laboratorio demostraron lo contrario: es realmente emocionante".
Los investigadores tienen previsto desarrollar prototipos de TARC a mayor escala para seguir probando su rendimiento como revestimiento práctico de tejados.
Wu afirma que el TARC también puede tener potencial como revestimiento protector térmico para prolongar la vida de las baterías de los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles, y para proteger a los satélites y los coches de temperaturas extremadamente altas o bajas. También podría utilizarse para fabricar tejidos reguladores de la temperatura para tiendas de campaña, cubiertas de invernaderos e incluso sombreros y chaquetas.
