Como sabe cualquiera que haya estacionado un automóvil al sol en un día caluroso de verano, las ventanas de vidrio son excelentes para dejar entrar la luz del sol pero terribles para permitir que salga el calor.
Ahora, los ingenieros de la Universidad de Duke han desarrollado una tecnología inteligente similar a una ventana que, con solo tocar un interruptor, puede alternar entre recolectar el calor de la luz solar y permitir que un objeto se enfríe. El enfoque podría ser una bendición para los ahorros de HVAC, lo que podría reducirel uso de energía en casi un 20% solo en los Estados Unidos.
La tecnología electrocrómica, material que cambia de color u opacidad cuando se aplica electricidad, se detalla en un artículo publicado el 14 de octubre en la revista Cartas de energía de la Sociedad Química Estadounidense .
"Hemos demostrado el primer dispositivo electrocrómico que puede cambiar entre calentamiento solar y enfriamiento radiativo", dijo Po-Chun Hsu, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke. "Nuestro método de ajuste electrocrómico no tiene partes móvilesy se puede sintonizar continuamente ".
Las ventanas inteligentes hechas de vidrio electrocrómico son una tecnología relativamente nueva que utiliza una reacción electrocrómica para cambiar el vidrio de transparente a opaco y viceversa en un abrir y cerrar de ojos. Si bien hay muchos enfoques para crear este fenómeno, todos implican intercalar unmaterial eléctricamente sensible entre dos capas delgadas de electrodos y pasando una corriente eléctrica entre ellos. Si bien este truco es lo suficientemente difícil de lograr para la luz visible, lo es aún más cuando se tiene que considerar también la luz infrarroja media calor radiativo.
En el artículo, Hsu y su estudiante graduado Chenxi Sui demuestran un dispositivo delgado que interactúa con ambos espectros de luz mientras cambia entre los modos de calentamiento y enfriamiento pasivo. En el modo de calentamiento, el dispositivo se oscurece para absorber la luz solar y detener la luz del infrarrojo medio.En el modo de enfriamiento, la capa oscura similar a una ventana se aclara, revelando simultáneamente un espejo que refleja la luz solar y permite que la luz infrarroja media de detrás del dispositivo se disipe.
Debido a que el espejo nunca es transparente a la luz visible, el dispositivo no reemplazaría ventanas en hogares u oficinas, pero podría usarse en otras superficies de edificios.
"Es muy difícil crear materiales que puedan funcionar en ambos regímenes", dijo Hsu. "Nuestro dispositivo tiene uno de los rangos de sintonización más grandes jamás demostrados en radiación térmica".
Hubo dos desafíos importantes que superar para diseñar un dispositivo de este tipo. El primero fue crear capas de electrodos que conduzcan la electricidad y sean transparentes tanto a la luz visible como a la radiación térmica. La mayoría de los materiales conductores como metales, grafito y algunos óxidos no encajanel proyecto de ley, ya que estas dos propiedades están en desacuerdo entre sí, por lo que Hsu y Sui diseñaron las suyas propias.
Los investigadores comenzaron con una capa de grafeno de un átomo de espesor, que demostraron que es demasiado delgada para reflejar o absorber cualquier tipo de luz. Pero tampoco es lo suficientemente conductora para transmitir la cantidad de electricidad necesaria para que el dispositivo funcione.a gran escala. Para sortear esta limitación, Hsu y Sui agregaron una fina rejilla de oro encima del grafeno para que actuara como una autopista para la electricidad. Si bien esto disminuyó un poco la capacidad del grafeno para permitir que la luz pase sin obstáculos, la compensaciónera lo suficientemente pequeño como para valer la pena.
El segundo desafío consistió en diseñar un material que pudiera ir entre las dos capas de electrodos y alternar entre absorber luz y calor o permitir que pasen. Los investigadores lo lograron aprovechando un fenómeno llamado plasmónico. Cuando es un metal diminuto, a nanoescalaLas partículas se colocan a solo nanómetros de distancia entre sí, esencialmente pueden atrapar longitudes de onda de luz específicas en función de su tamaño y espaciado. Pero en este caso, las nanopartículas se distribuyen aleatoriamente en grupos, lo que lleva a interacciones con una amplia gama de longitudes de onda, que esbeneficioso para atrapar eficientemente la luz solar.
En la demostración, la electricidad que pasa a través de los dos electrodos hace que se formen nanopartículas de metal cerca del electrodo superior. Esto no solo oscurece el dispositivo, sino que hace que todo el dispositivo absorba y atrape tanto la luz visible como el calor.el flujo se invierte, las nanopartículas se disuelven de nuevo en el electrolito líquido transparente. La transición entre los dos estados tarda uno o dos minutos en completarse.
"El dispositivo pasaría muchas horas en un estado u otro en el mundo real, por lo que perder un par de minutos de eficiencia durante la transición es solo una gota en el balde", dijo Hsu.
Todavía existen muchos desafíos para hacer que esta tecnología sea útil en entornos cotidianos. El mayor podría ser aumentar la cantidad de veces que las nanopartículas pueden alternar entre formarse y desintegrarse, ya que el prototipo solo pudo realizar un par de docenas de transiciones antes de perder eficiencia.También hay espacio para mejorar la reflectividad solar del modo de enfriamiento, que Hsu espera que pueda lograr un enfriamiento subambiental en un futuro cercano.
Sin embargo, a medida que la tecnología madura, puede haber muchas aplicaciones para ella. La tecnología podría aplicarse a paredes exteriores o techos para ayudar a calentar y enfriar edificios mientras se consume muy poca energía. Proporcionar a los envolventes del edificio una capacidad tan dinámica para usar renovablesLos recursos para calefacción y refrigeración también podrían brindar la oportunidad de utilizar menos materiales de construcción que han sido una fuente importante de emisión de carbono durante décadas.
"Puedo imaginarme este tipo de tecnología formando una especie de envolvente o fachada para que los edificios los calienten y enfríen pasivamente, reduciendo en gran medida la cantidad de energía que nuestros sistemas HVAC tienen que consumir", dijo Hsu.trabajar y creo que su dirección futura es muy prometedora ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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