Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado un material que, cuando se recubre sobre un panel de ventana de vidrio, puede autoadaptarse eficazmente al calor o las habitaciones frías en diferentes zonas climáticas del mundo, lo que ayuda para reducir el uso de energía. Desarrollado por investigadores de NTU y publicado en la revista Science, el primer vidrio de su tipo responde automáticamente a los cambios de temperatura cambiando entre calefacción y refrigeración.
El vidrio autoadaptable se desarrolla utilizando capas de compuesto de nanopartículas de dióxido de vanadio, poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y revestimiento de baja emisividad para formar una estructura única que podría modular el calentamiento y el enfriamiento simultáneamente. El vidrio recientemente desarrollado, que no tiene componentes eléctricos, funciona explotando los espectros de luz responsables del calentamiento y enfriamiento.
Durante el verano, el vidrio suprime el calentamiento solar (luz infrarroja cercana), al tiempo que aumenta el enfriamiento radiativo (infrarrojo de onda larga), un fenómeno natural donde el calor se emite a través de superficies hacia el universo frío, para enfriar la habitación. En invierno, hace lo contrario para calentar la habitación. En las pruebas de laboratorio que utilizaron una cámara infrarroja para visualizar los resultados, el vidrio permitió que se emitiera una cantidad controlada de calor en diversas condiciones (temperatura ambiente, por encima de 70°C), lo que demuestra su capacidad para reaccionar dinámicamente a las condiciones climáticas cambiantes.
El nuevo vidrio regula tanto el calentamiento como el enfriamiento.
Las ventanas son uno de los componentes clave en el diseño de un edificio, pero también son la parte menos eficiente energéticamente y la más complicada. Solo en los Estados Unidos, el consumo de energía asociado a las ventanas (calefacción y refrigeración) en los edificios representa aproximadamente el 4% de su uso total de energía primaria cada año, según una estimación basada en los datos disponibles del Departamento de Energía de EE. UU. Si bien los científicos en otros lugares han desarrollado innovaciones sostenibles para aliviar esta demanda de energía, como el uso de recubrimientos de baja emisividad para evitar la transferencia de calor y el vidrio electrocrómico que regula la transmisión solar para que no ingrese a la habitación al teñirse, ninguna de las soluciones ha podido modular tanto la calefacción como enfriando al mismo tiempo, hasta ahora.
El investigador principal del estudio, el Dr. Long Yi de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de la NTU, dijo: “La mayoría de las ventanas de ahorro de energía actuales abordan la parte de la ganancia de calor solar causada por la luz solar visible e infrarroja cercana. Sin embargo, los investigadores a menudo pasan por alto el enfriamiento radiativo en el infrarrojo de longitud de onda larga. Si bien se han utilizado innovaciones centradas en el enfriamiento radiativo en paredes y techos, esta función se vuelve indeseable durante el invierno. Nuestro equipo ha demostrado por primera vez un vidrio que puede responder favorablemente a ambas longitudes de onda, lo que significa que puede autoajustarse continuamente para reaccionar a los cambios de temperatura en todas las estaciones”.
Como resultado de estas características, el equipo de investigación de NTU cree que su innovación ofrece una forma conveniente de conservar energía en los edificios, ya que no depende de ningún componente móvil, mecanismo eléctrico o bloqueo de vistas para funcionar. Para mejorar el rendimiento de las ventanas, la modulación simultánea de la transmisión solar y el enfriamiento radiativo son cruciales, dijeron los coautores, el profesor Gang Tan de la Universidad de Wyoming, EE. UU., y el profesor Ronggui Yang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, Wuhan. China, que lideró la simulación de ahorro de energía en edificios.
“Esta innovación llena la brecha que falta entre las ventanas inteligentes tradicionales y el enfriamiento radiativo al allanar una nueva dirección de investigación para minimizar el consumo de energía”, dijo el profesor Gang Tan.
El estudio es un ejemplo de investigación pionera que respalda el plan estratégico NTU 2025, que busca abordar los grandes desafíos de la humanidad en materia de sostenibilidad y acelerar la traducción de los descubrimientos de la investigación en innovaciones que mitiguen el impacto humano en el medio ambiente.
Innovación útil para una amplia gama de tipos de clima
Como prueba de concepto, los científicos probaron el rendimiento de ahorro de energía de su invención utilizando simulaciones de datos climáticos que cubren todas las partes pobladas del mundo (siete zonas climáticas). El equipo descubrió que el vidrio que desarrollaron mostraba ahorros de energía tanto en estaciones cálidas como frías, con un rendimiento general de ahorro de energía de hasta 9.5%, o ~ 330,000 kWh por año (energía estimada requerida para alimentar 60 hogares en Singapur durante un año) menos que el vidrio de baja emisividad disponible comercialmente en un edificio de oficinas de tamaño medio simulado.
Primer autor del estudio Wang Shancheng, quien es investigador y ex Ph.D. estudiante del Dr. Long Yi, dijo: “Los resultados demuestran la viabilidad de aplicar nuestro vidrio en todo tipo de climas, ya que puede ayudar a reducir el uso de energía independientemente de las fluctuaciones de temperatura estacionales frías y calientes. Esto distingue a nuestra invención de la energía actual: ventanas de ahorro que tienden a encontrar un uso limitado en regiones con menos variaciones estacionales”.
Además, el rendimiento de calentamiento y enfriamiento de su vidrio se puede personalizar para satisfacer las necesidades del mercado y la región a la que está destinado.
“Podemos hacerlo simplemente ajustando la estructura y composición del recubrimiento especial de nanocompuestos en capas sobre el panel de vidrio, lo que permite que nuestra innovación se utilice potencialmente en una amplia gama de aplicaciones de regulación del calor, y no se limita a las ventanas”, dijo el Dr. Long Yi.
Brindando una visión independiente, el profesor Liangbing Hu, profesor distinguido Herbert Rabin, director del Centro de Innovación de Materiales de la Universidad de Maryland, EE. UU., dijo: “Long y sus colaboradores hicieron el desarrollo original de ventanas inteligentes que pueden regular el luz solar infrarroja y calor infrarrojo de onda larga. El uso de esta ventana inteligente podría ser muy importante para el ahorro de energía y la descarbonización de los edificios”.
Se ha presentado una patente de Singapur para la innovación. Como próximos pasos, el equipo de investigación tiene como objetivo lograr un rendimiento de ahorro de energía aún mayor trabajando en el diseño de su recubrimiento de nanocompuestos. El equipo de investigación internacional también incluye científicos de la Universidad Tecnológica de Nanjing, China.
Fuente: Tech Xplore.
