El frigorífico enfría flexionando músculos artificiales
La nueva tecnología se basa en un principio increíblemente sencillo
En el primer frigorífico del mundo refrigerado con músculos artificiales de nitinol, una aleación de níquel y titanio, sólo cabe una pequeña botella. Pero el miniprototipo que el equipo dirigido por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki presentará en la Feria de Hannover del 22 al 26 de abril es revolucionario: demuestra que la elastocalórica se está convirtiendo en una solución viable para aplicaciones prácticas. Esta tecnología de refrigeración y calefacción respetuosa con el clima es mucho más eficiente desde el punto de vista energético y sostenible que los métodos actuales. El equipo de investigación está desarrollando la nueva tecnología de calefacción y refrigeración en la Universidad del Sarre y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización (ZeMa).
La nueva tecnología, que ya está integrada en un prototipo de nevera pequeña y compacta, se basa en un principio increíblemente sencillo: el calor se elimina de un espacio estirando unos cables y soltándolos de nuevo. Conocidos como "músculos artificiales", los alambres con memoria de forma fabricados con nitinol superelástico absorben el calor en la cámara de refrigeración y lo liberan al ambiente exterior. Nuestro proceso elastocalórico nos permite alcanzar diferencias de temperatura de unos 20 grados centígrados sin utilizar refrigerantes nocivos para el clima, de una forma mucho más eficiente energéticamente que las tecnologías convencionales actuales", explica el profesor Stefan Seelecke, que investiga en la Universidad del Sarre y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken (ZeMa).
La eficiencia de los materiales elastocalóricos es más de diez veces superior a la de los actuales sistemas de aire acondicionado o frigoríficos. El Departamento de Energía de EE.UU. y la Comisión Europea han declarado que la tecnología de refrigeración desarrollada en Saarbrücken es la alternativa más prometedora a los procesos existentes. Puede extraer calor de espacios mucho mayores que la pequeña cámara de refrigeración que los ingenieros utilizan ahora para demostrar la elastocalórica en la Feria de Hannover. Y también puede suministrar calor a espacios mucho mayores. La transferencia de calor a través de los hilos superelásticos también funciona para aplicaciones de calefacción. En vista del cambio climático, la escasez de energía y la creciente demanda de refrigeración y calefacción, el proceso representa una solución muy prometedora para el futuro.
Para transportar el calor, los investigadores utilizan el "superpoder" especial de los músculos artificiales de nitinol: la memoria de forma. Los alambres de esta aleación recuerdan su forma original y vuelven a ella tras deformarse o estirarse. Como los músculos que se flexionan, pueden alargarse y volverse a acortar, así como tensarse y relajarse. Esto se debe a que el nitinol tiene dos redes cristalinas, dos fases que pueden transformarse la una en la otra. A diferencia del agua, cuyas fases son sólida, líquida y gaseosa, las dos fases del nitinol son ambas sólidas. Durante estas transiciones de fase de la estructura cristalina, los alambres absorben calor y lo liberan de nuevo: "El material con memoria de forma libera calor cuando se estira en un estado superelástico y lo absorbe cuando se libera", explica el profesor Paul Motzki, catedrático interinstitucional de la Universidad de Saarland y ZeMa, donde dirige el grupo de investigación Smart Material Systems. El efecto se intensifica si se agrupan muchos cables, ya que su mayor superficie les permite absorber y liberar más calor.
Aunque el principio pueda parecer muy sencillo a primera vista, las cuestiones de investigación que hay que abordar para construir un circuito de refrigeración son muy complejas. En la mininevera que el equipo de investigadores presenta actualmente en Hannover, un accionamiento de leva especialmente diseñado y patentado hace girar continuamente haces de hilos de nitinol de 200 micras de grosor alrededor de una cámara de refrigeración circular: "A medida que se mueven en círculo, se cargan mecánicamente por un lado, es decir, se estiran, y se descargan por el otro", explica Lukas Ehl, estudiante de doctorado que trabaja en el sistema de refrigeración. El aire pasa por los haces giratorios hasta la cámara de refrigeración, donde los alambres se descargan y absorben el calor del aire. A continuación, el aire circula continuamente alrededor de los alambres descargados en la cámara de refrigeración. Al seguir girando, los alambres transportan calor fuera de la cámara de refrigeración y lo liberan cuando se estiran fuera de ella. Con este método, la cámara de refrigeración se enfría a unos 10-12 grados centígrados", explica el estudiante Nicolas Scherer, que investiga en el proyecto como parte de su tesis de máster.
Los ingenieros de Saarbrücken están investigando cómo el accionamiento mantiene los alambres en movimiento permanente, cómo son los flujos de aire, de qué manera los procesos son más eficientes, cuántos alambres necesitan agrupar, con qué fuerza deben estirarse idealmente para un determinado nivel de refrigeración y mucho más. También han desarrollado programas informáticos que les permiten ajustar la tecnología de calefacción y refrigeración a distintas aplicaciones y simular y planificar sistemas de refrigeración. Y están investigando todo el ciclo, desde la producción y el reciclado de materiales hasta la producción.
Los frigoríficos son sólo el principio. Queremos aprovechar el potencial innovador de la elastocalórica en una amplia gama de aplicaciones, como la refrigeración industrial, la refrigeración de vehículos eléctricos para avanzar en la e-movilidad y también los electrodomésticos", explica Paul Motzki.
La nueva tecnología es el resultado de más de una década de investigación en varios proyectos de investigación de un millón de euros y múltiples proyectos de tesis doctorales premiados. La financiación del proyecto ha procedido en parte de la UE y de la Fundación Alemana de Investigación (DFG). El Ministerio Federal de Educación e Investigación invierte más de 17 millones de euros en el proyecto DEPART!Saar, en el que los investigadores colaboran con otras instituciones de investigación y socios industriales. El objetivo es dar lugar a nuevos formatos de transferencia de tecnología y acelerar el camino hacia el mercado. En varios proyectos de investigación y tesis doctorales, los ingenieros también han desarrollado un demostrador de refrigeración y calefacción que funciona continuamente y muestra cómo la elastocalórica puede enfriar y calentar el aire.
En la feria de Hannover, los expertos de Saarbrücken en sistemas de materiales inteligentes también demostrarán la versatilidad de su tecnología de memoria de forma en forma de accionamientos inteligentes en miniatura, pinzas robóticas de bajo consumo y brazos robóticos blandos con forma de trompa de elefante.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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