Adiós a rascar el parabrisas del coche: el invento que acaba con el hielo en segundos usando la mínima cantidad de energía

El invierno ha llegado de forma brusca y contundente a España. La Aemet ha alertado de la llegada de una ola de frío ártico, temperaturas de hasta -10 °C y 50 cm de nieve en algunas zonas del norte y el centro peninsular. Y eso provocará, además de un uso intensivo de la calefacción en interiores, algo tan engorroso como tener que quitar el hielo del parabrisas del coche con una rasqueta.

Aunque existen inventos y soluciones de todo tipo para este problema, estas capas de hielo son perjudiciales no sólo para los propietarios de coches, sino que también afectan a infraestructuras como los aerogeneradores y otros vehículos como los aviones, en los que la escarcha se acumula en las superficies de las alas cuando vuelan a determinada altura. La eliminación del hielo en estos casos conlleva elevados costes operativos e incluso riesgos de seguridad.

Los métodos actuales para combatirlo, ya sean térmicos (calentamiento) o químicos (aplicación de sustancias anticongelantes), a menudo resultan lentos, energéticamente ineficientes o perjudiciales para el medio ambiente. En este contexto, un reciente estudio científico publicado en la revista Small Methods presenta un avance significativo: un sistema de deshielo electrostático de alta eficiencia y bajo consumo de energía.

El invento que acaba con el hielo del parabrisas en unos minutos sin tener que rascar

La investigación se centra en la aplicación de la física para atacar el problema desde su raíz: la fuerza de adhesión del hielo a la superficie. En vez de gastar grandes cantidades de energía para derretir toda la masa de hielo, el nuevo enfoque bautizado como "descongelación electrostática" (EDF, por sus siglas en inglés) utiliza fuerzas eléctricas para 'despegarlo'.

El principio fundamental reside en la aplicación de un campo eléctrico en el punto de contacto entre el hielo y la superficie, lo que induce un fenómeno que facilita la separación. Aunque está en una fase temprana, "en un futuro próximo, el EDF puede ser un método de deshielo rentable, libre de productos químicos y de bajo consumo energético", afirma en un comunicado de prensa Jonathan Boreyko, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Virginia Tech (EEUU) y autor principal del estudio.

Cómo funciona

La forma más habitual de despejar las superficies heladas como el parabrisas de los coches suele ser la típica rasqueta, aunque también hay quien prefiere el uso de alcohol para descongelar el cristal o quienes simplemente esperan a que la calefacción de las lunas delantera y trasera haga su trabajo. Sea como sea, cualquiera de estas opciones requiere de un tiempo de espera, gasto de energía y, en algunos casos, esfuerzo físico para poder conducir sin perder visibilidad.

El equipo de Boreyko cree tener la solución. La idea inicial procede de un trabajo de investigación anterior, en el que aprovecharon "la pequeña cantidad de voltaje que existe de forma natural en la escarcha". Cuando se aplica un voltaje moderado a una superficie helada, el campo eléctrico induce la formación de una capa extraordinariamente delgada de agua líquida justo en la frontera donde el hielo se adhiere al sustrato.

Jonathan Boreyko, líder de la investigación, en el laboratorio Alex Parrish / Virginia Tech Omicrono

Este es el paso clave en el desarrollo del EDF, ya que el agua líquida posee una característica eléctrica distinta al hielo: una constante dieléctrica mucho mayor.

Esta disparidad provoca la aparición de una fuerza electrostática que ejerce presión entre el agua y la superficie, convirtiéndose en algo similar a una capa lubricante que rompe la fuerza de agarre o el enlace de adhesión del hielo. Una vez que este enlace crítico se ha roto, el hielo puede desprenderse de manera sencilla.

Para lograr la máxima eficiencia con el menor consumo de energía posible, los investigadores diseñaron un sistema optimizado que consta de dos elementos principales. El primero es un electrodo nanoestructurado, específicamente diseñado con un patrón de peine interlaminado.

Esta configuración geométrica no es casual. La estructura fina y entrelazada permite maximizar la densidad del campo eléctrico justo en la superficie, que es donde se necesita la fuerza de separación. Además, garantiza que la fuerza electrostática se distribuya de manera uniforme, evitando puntos débiles en la capa de hielo, para que se desprenda por completo.

Ilustración de la descongelación electrostática Virginia Tech Omicrono

El segundo componente vital es la interfaz dieléctrica, un material aislante y superhidrofóbico (capaz de repeler el agua) que recubre el electrodo. Es el encargado de interactuar con el campo eléctrico generado y, a su vez, con el hielo.

Fase experimental

En la fase experimental, los científicos sometieron el sistema a pruebas que simulaban las condiciones de formación de hielo. Y ahí se encontraron con una sorpresa: al aumentar el voltaje no se conseguía un mejor resultado. "Realmente pensamos que habíamos dado con algo importante", afirmó Boreyko. "Si seguimos aumentando el voltaje, saltará más escarcha, ¿verdad? Lo inesperado fue que ocurrió lo contrario".

Al pasar de 550 voltios, que lograba eliminar el 50% de la escarcha, a 5.500 voltios, el porcentaje se reducía al 20%. Estos primeros resultados contradecían el modelo teórico y planteaban un reto técnico.

La clave, descubrieron los investigadores con nuevas simulaciones, estaba en el sustrato: las superficies de vidrio aislante impedían que saltara más escarcha, ya que se producía una fuga de carga. Los mejores resultados se lograron gracias a un sustrato de cobre, con el que se logró eliminar hasta el 75% del hielo en cuestión de segundos.

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"Al utilizar la superficie superhidrofóbica, el deshielo electrostático fue lo suficientemente potente como para que el logotipo oculto de Virginia Tech (VT) se hiciera claramente visible en la superficie después de que la escarcha se desprendiera", dijo Venkata Yashasvi Lolla, investigador principal del proyecto en el laboratorio de Boreyko.

Aunque el EDF requiere la aplicación de altos voltajes de hasta 5500 V, funciona en condiciones de corriente extremadamente baja (aproximadamente 0,1 mA, unos 0,55 W), lo que se traduce en un consumo mínimo de energía, muy inferior al de métodos de descongelación que requieren la generación de calor. Este consumo es comparable al de un pequeño LED o un dispositivo electrónico en stand by.

"Este concepto de deshielo eléctrico se encuentra todavía en una fase muy temprana", afirmó Boreyko. En las conclusiones del estudio, los autores hablan de "una estrategia novedosa y prometedora para la gestión de las heladas que ofrece un enfoque sin productos químicos, sin mecanismos mecánicos y de bajo consumo energético para mitigar la acumulación de escarcha".

Para poder llegar al 100% de eliminación del hielo y desarrollar aplicaciones comerciales se necesitan más pruebas, entre ellas "la optimización de la intensidad del campo eléctrico" y "el rendimiento a lo largo de múltiples ciclos de congelación/descongelación", pasos fundamentales para poder hacer realidad el EDF en "una gama más amplia de sistemas del mundo real".