Los ingenieros de la Universidad de Drexel han desarrollado nuevos materiales a base de cemento que incorporan tecnología de cambio de fase para mejorar la eficiencia energética de los edificios, inspirada en la regulación natural de la temperatura que se encuentra en las orejas de los elefantes.
Investigadores de la Universidad de Drexel han presentado innovadores materiales de construcción a base de cemento, diseñados para mejorar la eficiencia energética mediante innovadores mecanismos pasivos de calefacción y refrigeración. Este avance, inspirado en los sistemas de regulación de temperatura naturalmente eficaces observados en las orejas de elefantes y liebres, podría revolucionar el diseño de edificios al integrar una red vascular en paredes, suelos y techos, reduciendo significativamente el consumo de energía.
La investigación, publicado En el Journal of Building Engineering, se presenta un nuevo método ideado por el Laboratorio de Materiales de Infraestructura Avanzada (AIM) de Drexel. Implica la integración de materiales de cambio de fase (PCM) basados en parafina en una matriz de polímero impresa dentro de superficies de cemento.
Los PCM tienen la capacidad única de absorber y liberar energía térmica a medida que pasan del estado líquido al sólido, regulando eficazmente las temperaturas de la superficie.
“Arquitectónicamente, es atractivo tener muchas ventanas en un edificio, pero esto también resulta en una disminución de las propiedades de aislamiento”, declaró en un comunicado de prensa el coautor Rhythm Osan, estudiante de pregrado de la Facultad de Ingeniería de Drexel. “En un mundo ideal, un edificio no perdería calor, pero desde una perspectiva realista de viabilidad constructiva, problemas como los puentes térmicos, las fugas de aire de los conductos, el rendimiento de los materiales y los detalles de las juntas siempre generarán alguna pérdida de calor”.
El enfoque innovador del equipo pretende contrarrestar la importante demanda energética de los edificios, que representan casi el 40% de todo el uso de energía a nivel mundial, y aproximadamente la mitad de esa energía se gasta en mantener temperaturas interiores confortables.
En particular, superficies como paredes, ventanas y techos son responsables de aproximadamente el 63% de la pérdida de energía en los edificios, lo que hace que la solución del equipo de Drexel sea potencialmente transformadora.
“Observen cómo nuestro sistema circulatorio regula la temperatura. Cuando hace calor, la sangre sube a la superficie; podemos enrojecernos un poco y empezar a sudar por las glándulas, lo que nos enfría mediante un proceso de cambio de fase: la evaporación del sudor”, añadió Amir Farnam, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien dirigió la investigación. “Este es un proceso natural muy eficaz que queríamos replicar en los materiales de construcción”.
El estudio probó varias configuraciones y espesores de canales vasculares para determinar el diseño óptimo para la resistencia mecánica y el rendimiento térmico.
La arquitectura de canal de rejilla en forma de diamante resultó ser la más eficaz, ofreciendo tanto integridad estructural como una regulación superior de la temperatura, reduciendo el calentamiento y el enfriamiento de la superficie a 1-1.25 grados Celsius por hora.
Descubrimos, aunque no sea sorprendente, que una mayor superficie vascular se traduce en un mejor rendimiento térmico. Esta observación es similar a la fisiología de las orejas de los elefantes y las liebres, que contienen extensas áreas vasculares para ayudar a regular su temperatura corporal —añadió el coautor Robin Deb, científico investigador del Laboratorio AIM—. Creemos que nuestros materiales vasculares podrían desempeñar una función similar en un edificio, ayudando a compensar los cambios de temperatura y a reducir la demanda energética de los sistemas de climatización para mantener el confort térmico.
Si bien este estudio sirvió como prueba de concepto, los prometedores resultados del equipo abren el camino a futuras exploraciones. Las investigaciones futuras incluirán pruebas de diferentes PCM, patrones de canales y muestras de material más grandes durante períodos más prolongados y en diversas condiciones ambientales.
“Si bien este estudio pretendía demostrar una prueba de concepto, estos resultados son prometedores y podemos desarrollarlos”, añadió Farnam. “Esto demuestra tanto la eficacia de este método para regular la temperatura superficial en materiales cementicios como un método sencillo y rentable para su producción. Con más pruebas y escalado, creemos que esto tiene el potencial de contribuir significativamente a los numerosos esfuerzos en curso para mejorar la eficiencia energética de los edificios”.
Esta innovación promete hacer que las estructuras de los edificios sean más autosuficientes en el control de la temperatura, reduciendo la dependencia de fuentes de energía externas y disminuyendo significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero.
Fuente: Drexel University