La calefacción y el aire acondicionado siguen siendo dos de los elementos que más gasto energético implican en los hogares, hasta un 50%. En España, con grandes oscilaciones de temperatura entre los meses veraniegos y la temporada invernal, lo ideal sería implementar soluciones que no consuman energía, como los materiales para aislar mejor tu casa. El futuro de la arquitectura bioclimática, capaz de proporcionar confort térmico adaptándose al entorno, está en elementos pasivos como la pintura que ahorrar en calefacción copiando a la naturaleza o el invento para potenciar el calor de los radiadores.

"Actualmente, pocas tecnologías pueden alternar automáticamente entre la calefacción y la refrigeración pasivas, y las que pueden hacerlo requieren un amplio intervalo de temperaturas para cambiar de estado (15 °C), lo que las hace ineficaces", señalan los autores de un estudio publicado en la revista Device. Para solucionarlo, estos investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara proponen unos paneles que se instalan en el tejado y se adaptan a las condiciones externas. Así consiguen mantener una temperatura estable de unos 18 ºC en el interior tanto en verano como en invierno y sin consumir energía.

La clave de este invento es un motor de cera que se acciona automáticamente con los cambios de temperatura. Eso permite que absorban el calor o lo reflejen para "reducir el coste energético de la refrigeración en 3,1 veces y el de la calefacción en 2,6 veces en comparación con los dispositivos sin conmutación", en referencia a los que sólo ofrecen una de las dos opciones.

¿Cómo funciona?

De cara al abandono definitivo de los combustibles fósiles, como pregonan las conclusiones de la reciente COP28, es imprescindible una mejora de las tecnologías de refrigeración y calefacción. Por eso los profesores de ingeniería mecánica Charlie Xiao, Elliot Hawkes y Bolin Liao han unido fuerzas para desarrollar este panel o teja adaptativa que, desplegada sobre los tejados de forma masiva, tiene un potencial enorme para reducir el dióxido de carbono presente en la atmósfera.

Para construir estos paneles que ocupan unos diez centímetros cuadrados, los ingenieros estudiaron las propiedades de distintas superficies y su capacidad para absorber y reflejar el calor. Así, uniendo nociones de termodinámica y la experiencia de Hakwes diseñando mecanismos, idearon esta superficie móvil capaz de cambiar sus propiedades térmicas. 

Uno de los diagramas del estudio sobre las tejas adaptativas UC Santa Barbara Omicrono

Cuando están cerrados, los paneles exponen al exterior una superficie plana de alumino cromado negro con una alta ganancia de calor. En cambio, cuando se abren, descubren una superficie blanca de sulfato de bario que refleja casi la totalidad de la radiación infrarroja, enfriando así la estancia que cubren gracias a la refrigeración radiativa.

La gran novedad para combinar ambas opciones y pasar de un elemento a otro tiene que ver con los motores de cera instalados bajo el techo, encargados de traducir la energía térmica en energía mecánica para abrir o cerrar las rejillas de los paneles. Este tipo de motor es similar al que usan determinados electrodomésticos, como lavavajillas o lavadoras, o incluso ciertos ingenios de la industria aeroespacial, sólo que aquí se usa para mantener una temperatura estable en el interior de los edificios.

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Como la cera cambia de volumen dependiendo de la temperatura exterior, puede accionar o retraer los pistones encargados de cerrar o abrir las rejillas de la superficie del panel. Cuando las temperaturas son bajas, la cera se solidifica y cierra las rejillas, minimizando la disipación del calor.

Por el contrario, cuando la temperatura alcanza los 18,2 ºC, la cera empieza a fundirse y se expande, lo que empuja las rejillas hacia arriba y deja al descubierto la superficie encargada de reflejar la luz solar y emitir calor, enfriando el interior de la estancia o el edificio en cuestión.

Prototipo y resultados de los experimentos con las tejas adaptativas UC Santa Barbara Omicrono

Eso se refuerza con la capacidad de la cera para absorber o liberar una gran cantidad de calor en el proceso de fusión o solidificación, lo que permite estabilizar rápidamente la temperatura tanto de los paneles como del espacio que se encargan de cubrir.

El motor de cera lo que permite en última instancia es eliminar la necesidad de cualquier componente electrónico, batería o fuente de energía externa para funcionar. En el fondo es un concepto muy simple, por lo que otra de sus ventajas es su capacidad para personalizarlo al máximo. Usando varios revestimientos térmicos en las superficies y distintos tipos de cera con puntos de fusión diferentes, se puede adaptar fácilmente a los rangos de temperatura deseados.

Puesto a prueba

"El dispositivo es aún una prueba de concepto, pero esperamos que conduzca a nuevas tecnologías que algún día puedan repercutir positivamente en reducir el gasto energético de los edificios", afirma Hawkes en un comunicado de prensa.

Para comprobar su eficacia, los investigadores realizaron pruebas en el exterior de uno de los edificios de la UC Santa Barbara durante dos días, en los que comprobaron el punto de fusión de la cera y la temperatura tanto dentro como fuera de la estancia. Los resultados de los paneles adaptativos se compararon con los de superficies fijas, cubiertas con el mismo aluminio cromado negro y la pintura blanca de sulfato de bario.

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Así, llegaron a la conclusión de que, por la noche, el sistema adaptativo era capaz de reducir la pérdida de calor en un factor de 2,6 en comparación con la teja blanca estática. Mientras, a lo largo del día, reducían la entrada de calor en un factor de "al menos 3,1" comparándola con la teja negra estática.

En las conclusiones del estudio, Hawke y su equipo señalan que las rejillas se abren y se cierran completamente en un intervalo inferior a los 3 ºC, lo que implica que su respuesta es más rápida y eficaz que otras alternativas. "Así tenemos un comportamiento de conmutación muy predecible que funciona dentro de una banda muy estrecha", concluye Xiao.

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