Ingenieros de la Universidad de Texas en Dallas han convertido la madera común en una especie de batería térmica que puede almacenar y liberar calor sin electricidad. Este material duradero y hermético podría algún día ayudar a que los edificios sean más confortables con un consumo energético mucho menor.
Un equipo de ingenieros ha convertido la madera común en una especie de batería térmica que podría ayudar a que los edificios se mantengan cómodos utilizando mucha menos energía.
Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores han desarrollado y patentado un material a base de madera que almacena y libera calor, lo que podría aliviar la carga de los aires acondicionados y calefactores. El trabajo, publicado en la revista Materiales Hoy Energía, es parte de un esfuerzo creciente para hacer que los edificios sean más eficientes energéticamente a medida que el cambio climático aumenta la demanda de refrigeración y calefacción.
La idea clave es utilizar la madera como soporte para los materiales de cambio de fase (PCM). Estas sustancias absorben calor al fundirse y lo liberan al solidificarse, de forma similar a como el hielo absorbe calor al convertirse en agua y lo devuelve al recongelarse.
El nuevo compuesto se comporta como un paquete de calor recargable integrado en las paredes, según la autora correspondiente Shuang (Cynthia) Cui, profesora adjunta de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson de la Universidad de Texas en Dallas.
"Nuestro material actúa como una batería térmica que se carga a medida que absorbe calor", dijo Cui en un comunicado de prensa.
En los edificios, este tipo de almacenamiento térmico pasivo podría ser muy eficaz. En lugar de depender exclusivamente de sistemas mecánicos, partes de la propia estructura podrían ayudar a suavizar las fluctuaciones de temperatura a lo largo del día.
Cui explicó que el material está diseñado para absorber el exceso de calor cuando las temperaturas suben y luego liberarlo lentamente a medida que las condiciones se enfrían.
“Durante el verano, por ejemplo, el material de cambio de fase absorberá y almacenará el calor del exterior, lo que reduciría el aumento de la temperatura ambiente”, explicó. “Si el edificio incorpora suficiente material de cambio de fase, es posible que no sea necesario encender el aire acondicionado”.
Este concepto, conocido como almacenamiento de energía térmica, está atrayendo la atención como una forma de reducir la demanda máxima de electricidad y optimizar el uso de las energías renovables. En lugar de desperdiciar calor cuando abunda, los edificios pueden almacenarlo para más adelante.
“El almacenamiento de energía térmica ofrece una solución al aprovechar el exceso de calor del ambiente para su uso posterior, como almacenar el calor diurno para proporcionar calor durante las noches frías”, agregó la coautora Bernadette Magalindan, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en el laboratorio de Cui y becaria de investigación de posgrado en Innovación en Edificios del Departamento de Energía de EE. UU.
Pero los PCM presentan una desventaja importante: muchos se funden en líquidos, que pueden filtrarse del material en el que están incrustados. Una solución común es sellar el PCM dentro de cápsulas o mezclarlo con un material anfitrión separado. Esto puede evitar fugas, pero el material anfitrión no suele almacenar calor por sí mismo, lo que limita el rendimiento general.
El equipo abordó este problema rediseñando la madera desde adentro hacia afuera.
La madera está compuesta naturalmente por varios componentes, incluyendo la lignina, que proporciona rigidez y estructura a las plantas. Los investigadores eliminaron la lignina de la madera, dejando una estructura esponjosa llena de poros diminutos. Este esqueleto poroso sirvió como plantilla para el PCM.
Luego, infundieron la madera con un material de cambio de fase mezclado con un ingrediente que se transforma en un plástico blando. Cuando el PCM se derrite, el plástico blando ayuda a mantenerlo en su lugar, evitando fugas y reforzando la madera al mismo tiempo.
El resultado es un compuesto que puede fundirse y solidificarse repetidamente sin supurar ni desintegrarse. En las pruebas, el material no presentó fugas ni se degradó tras 1,000 ciclos de calentamiento y enfriamiento, lo que sugiere que podría resistir años de uso diario en un edificio.
El coautor Hongbing Lu, profesor de ingeniería mecánica, titular de la cátedra Louis Beecherl Jr. y director del Laboratorio de Mecánica de Materiales Avanzados de la UT Dallas, enfatizó que la durabilidad es tan importante como el rendimiento energético.
“A diferencia de muchos materiales de almacenamiento de energía que sacrifican la resistencia, estos compuestos de cambio de fase con plantilla de madera mantienen la integridad mecánica bajo ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, lo que los hace energéticamente eficientes y mecánicamente duraderos, lo que es fundamental para el uso a largo plazo en edificios”, dijo Lu en el comunicado de prensa.
Dado que el compuesto se origina a partir de madera, podría adaptarse para su uso en componentes de construcción como paneles de pared, suelos o materiales para techos. Si se fabrican a gran escala, estos productos podrían ayudar a reducir el tamaño o la duración de los sistemas de climatización convencionales, reduciendo así tanto las facturas de energía como las emisiones de gases de efecto invernadero.
El proyecto también destaca cómo los investigadores universitarios y los laboratorios nacionales pueden colaborar para afrontar los desafíos climáticos y energéticos. El equipo de UT Dallas colaboró con científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables, recientemente rebautizado como Laboratorio Nacional de las Montañas Rocosas, así como con la Universidad de Colorado en Boulder, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley. Cui comparte puesto en el laboratorio nacional de las Montañas Rocosas, donde anteriormente trabajó como investigadora postdoctoral e investigadora científica.
Para los estudiantes involucrados en el trabajo, el proyecto ofreció un lugar de primera fila en el proceso de convertir un concepto de laboratorio en una potencial tecnología comercial.
“Fue emocionante formar parte de este proyecto, que está mostrando resultados prometedores para edificios más cómodos y energéticamente eficientes”, añadió el coautor Gustavo Felicio Perruci, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica codirigido por Lu y Cui. “Trabajar con nuestros laboratorios nacionales asociados me proporcionó una experiencia invaluable y me abrió puertas importantes, demostrando cómo los equipos interdisciplinarios pueden convertir materiales sostenibles en soluciones prácticas”.
Los investigadores planean seguir perfeccionando el material y explorando cómo integrarlo en edificios reales. Los próximos pasos incluyen optimizar la composición para diferentes climas, probar prototipos a mayor escala y colaborar con socios de la industria para comercializar la tecnología.
Si tienen éxito, las baterías térmicas a base de madera podrían convertirse en un aliado silencioso pero poderoso en el esfuerzo por hacer que los hogares, las escuelas y las oficinas sean más sustentables, simplemente dejando que las paredes hagan la mayor parte del trabajo.