Un equipo de investigación chino ha logrado un avance significativo en la tecnología de refrigeración, presentando un nuevo método de enfriamiento que promete bajas emisiones de carbono, alta capacidad de enfriamiento y una transferencia de calor eficiente.
El estudio, publicado recientemente en la revista Nature, aborda los crecientes desafíos de consumo de energía y disipación de calor que acompañan al rápido desarrollo de la potencia computacional, un componente crucial en la era de la economía digital.
La sociedad moderna depende en gran medida de la refrigeración, desde la conservación de alimentos hasta el enfriamiento de centros de datos. Sin embargo, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor tradicionales conllevan altos costos ambientales y energéticos. En China, la tecnología de refrigeración representa alrededor del 2% del PIB, mientras que consume casi el 20% de la electricidad nacional y genera el 7.8% de sus emisiones de carbono.
La refrigeración de estado sólido se ha considerado durante mucho tiempo una alternativa más limpia, ya que evita el uso de refrigerantes basados en fluorocarbonos que dañan el medio ambiente. No obstante, los materiales sólidos tienen dificultades con la eficiencia de la transferencia de calor, lo que restringe su uso práctico en aplicaciones a gran escala.
El equipo de investigación, liderado por el profesor Li Bing del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, descubrió una forma de superar esta limitación integrando los efectos de enfriamiento sólido con el flujo de líquidos.
En su estudio del tiocianato de amonio, una sal no tóxica ampliamente utilizada en la industria, los investigadores observaron que la disolución de la sal en agua absorbe grandes cantidades de calor. Al aplicar presión, el proceso se invierte, provocando la precipitación de la sal y la liberación de una gran cantidad de calor. Este ciclo reversible permite un enfriamiento continuo a medida que se aplica y libera presión alternativamente, lo que lo convierte en un mecanismo ideal para los sistemas de refrigeración.
«A diferencia de los métodos tradicionales de refrigeración de estado sólido, donde el calor tiene dificultades para moverse a través de las fronteras de los materiales, nuestro enfoque integra el refrigerante y el medio de transferencia de calor en un solo fluido, facilitando la conductividad térmica y la integración del sistema», explicó Li. Este enfoque resuelve lo que los científicos describieron como el «triángulo imposible» de los materiales calóricos al ofrecer simultáneamente bajas emisiones, alta potencia de enfriamiento y una transferencia de calor eficiente.
Los experimentos de laboratorio demostraron un excelente rendimiento. A temperatura ambiente, el método logró una caída de temperatura de casi 30 °C en solo 20 segundos, mientras que a temperaturas más altas el rango de enfriamiento alcanzó hasta 54 °C, superando con creces el de los materiales calóricos de estado sólido existentes.
En un ciclo de enfriamiento prototipo designado, las simulaciones sugieren una capacidad de enfriamiento de 67 julios por gramo y una eficiencia que se acerca al 77%, lo que demuestra su potencial para aplicaciones de ingeniería. Además, los experimentos espectroscópicos in situ demostraron la estabilidad, reversibilidad y respuesta instantánea del proceso a los cambios de presión, requisitos clave para los sistemas de refrigeración prácticos.
«Esta tecnología trasciende los principios tradicionales de refrigeración basados en diversas transiciones de fase. Al convertir el ‘refrigerante’ en un fluido que puede bombearse directamente a través de intercambiadores de calor, allana el camino para la comercialización de sistemas de refrigeración potentes y de cero emisiones para uso industrial y doméstico», afirmó Li.
«Podría inspirar la expansión de este principio a otras químicas, permitiendo el desarrollo de propiedades calóricas personalizadas adecuadas para una variedad de rangos de temperatura y capacidades de enfriamiento», añadió. «Sin embargo, se necesitan esfuerzos adicionales para la aplicación práctica, como avances en la ingeniería de transiciones de fase rápidas y reversibles sintonizadas por presión.»
Enfatizó que el excelente rendimiento a alta temperatura de la tecnología la convierte en «un candidato ideal para los exigentes requisitos de gestión térmica de los centros de computación de inteligencia artificial de próxima generación». Se espera que estos centros experimenten un aumento en la demanda de enfriamiento junto con el desarrollo de tecnologías cada vez más potentes, como la computación cuántica y los chips apilados en tres dimensiones.
