El invierno se recrudece en España, con fuertes nevadas en algunas zonas del país y los termómetros marcando las temperaturas mínimas de todo el año. La solución tradicional, la calefacción de toda la vida, no sólo supone un elevado gasto en la factura del gas, sino que es responsable de un alto porcentaje de las emisiones de efecto invernadero que han acelerado y agravado el cambio climático en los últimos años.

Según los cálculos más recientes, los edificios representan alrededor del 30% del consumo total de energía del mundo, y el 70% de ese consumo se destina a la calefacción y la refrigeración. Para poner remedio a esa situación, científicos y empresas están desarrollando soluciones como bombas de calor ultraeficientes y baterías térmicas, que permiten ahorrar hasta un 45% en calefacción, electricidad y agua caliente en casa.

Pero hay otros enfoques, aún más eficientes y respetuosos con el medioambiente, que ayudan a calentar o enfriar los edificios de forma pasiva, sin ningún gasto de energía. Uno de los más sorprendentes y eficaces es el que acaba de presentar un equipo de investigadores coreanos liderados por Kim Bong-hoon, del Departamento de Ingeniería Robótica y Mecatrónica del DGIST, que supera las anteriores limitaciones de este tipo de avances.

Lo describen como "dispositivo inteligente en 3D de ahorro energético para edificios" en un estudio publicado en la revista Advanced Materials y es capaz de proporcionar calefacción y refrigeración sin electricidad ni fuente de alimentación externa, cambiando de forma al detectar los cambios de temperatura.

A diferencia de otras soluciones pasivas, que se basaban principalmente en pinturas, películas planas o recubrimientos bidimensionales, este nuevo invento aprovecha una estructura 3D dinámica para gestionar de manera activa la entrada y salida de calor en los edificios. Sus responsables lo comparan con "una flor que se abre o se cierra con el sol", muy fácil de instalar y con un futuro prometedor.

Cómo funciona

Los investigadores se inspiraron en la arquitectura tradicional asiática, los clásicos tejados de algunas pagodas que ajustan la inclinación de los aleros y voladizos según la latitud para aprovechar mejor el sol a lo largo del año.

Su planteamiento parte de una premisa clara: las soluciones actuales no son suficientes para un mundo con climas cambiantes y extremos. "Los dispositivos de ahorro energético convencionales basados en películas delgadas 2D se enfrentan a limitaciones en el control de las temperaturas de transición de fase y en la selectividad de los materiales", señalan los autores en el estudio.

Esta restricción impide que las tecnologías actuales ofrezcan un rendimiento óptimo durante todo el año, ya que carecen de la versatilidad necesaria para cambiar su comportamiento térmico según las condiciones ambientales.

La innovación principal de este dispositivo radica en su capacidad para transformarse gracias a una aleación con memoria de forma (SMA, por sus siglas en inglés). Así, no funciona como un material totalmente pasivo, sino como una estructura que reacciona a la temperatura ambiente sin necesidad de motores eléctricos ni sensores complejos conectados a una centralita.

Su diseño incorpora actuadores y muelles que modifican la forma del dispositivo para alternar entre un modo de refrigeración y un modo de calefacción de manera autónoma. Esto lo convierte en una solución capaz de operar de forma autónoma y sin mantenimiento de ningún tipo en diversas zonas climáticas, con una eficiencia que los materiales estáticos no pueden igualar.

El SMA metálico tiene la peculiaridad de recordar una forma original y volver a ella cuando se somete a un cambio de temperatura. Así, la aleación actúa como un músculo térmico: cuando la temperatura ambiente sube o baja de cierto umbral, el metal se contrae o se expande, provocando que la estructura 3D se abra o se cierre. Este movimiento mecánico es la clave para exponer u ocultar las diferentes superficies funcionales del dispositivo según se necesite frío o calor.

La estructura del dispositivo combina dos elementos clave para la gestión térmica: una capa de enfriamiento radiativo y una capa de absorción solar. La primera está compuesta por polidimetilsiloxano (PDMS) y óxido de aluminio, materiales conocidos por su alta emisividad térmica, lo que les permite liberar calor en forma de radiación infrarroja.

La segunda es una superficie recubierta con pintura negra, diseñada para absorber la máxima cantidad posible de radiación solar. Gracias al movimiento generado por la aleación con memoria de forma, el dispositivo expone la capa de enfriamiento durante los días calurosos para disipar el calor, y despliega la capa de absorción durante los días fríos para captar la energía del sol.

Mejoras pasivas

Uno de los aspectos más relevantes de este desarrollo es el paso de la geometría 2D a la 3D. Las películas de enfriamiento radiativo tradicionales, al ser planas, tienen una dependencia angular muy alta; es decir, que su eficiencia varía drásticamente según la posición del sol en el cielo. Al salir o ponerse el sol, los rayos inciden de manera oblicua, reduciendo la capacidad del material para reflejar la energía o irradiar calor.

El nuevo diseño tridimensional y simétrico propuesto por el equipo de Kim Bong-hoon mitiga este problema, manteniendo un rendimiento más estable independientemente del ángulo de incidencia solar, lo que garantiza una cobertura energética efectiva durante más horas al día.

Además, el uso de una estructura tridimensional permite mayor precisión. En los sistemas planos, es difícil ajustar el punto exacto en el que el material debe dejar de enfriar y empezar a calentar. La configuración 3D, al tener partes móviles y volúmenes definidos, permite calibrar con mayor exactitud la respuesta del actuador térmico.

Esto se traduce en una gestión adaptativa inteligente. Una vez instalados estos pequeños dispositivos, tanto en el tejado como en las paredes, el edificio 'sabrá' cuándo debe protegerse del sol y cuándo debe aprovechar su radiación, comportándose de manera similar a los poros de la piel humana cuando reaccionan para regular la temperatura corporal.

Resultados prometedores

Las simulaciones teóricas y las pruebas prácticas realizadas por el equipo de investigación concluyeron con un notable éxito. Al evaluar el rendimiento del dispositivo en simulaciones que abarcan 15 zonas climáticas diferentes, se ha confirmado su versatilidad y eficacia.

Los datos indican una reducción máxima de la potencia de refrigeración necesaria en verano de un 6,8%, así como una disminución de la potencia de calefacción requerida en invierno de un 5,6%. Aunque estos porcentajes pueden parecer modestos, cuando se escalan al consumo masivo de grandes edificios o complejos residenciales, representan un ahorro energético y económico sustancial, además de una reducción significativa de la huella de carbono.

La viabilidad de esta tecnología tiene que ver con su potencial de implementación real. Al no requerir alimentación eléctrica externa, estos dispositivos podrían instalarse en fachadas, cubiertas y tejados de edificios existentes sin necesidad de cableado ni de infraestructuras complejas. Como funcionan gracias a las leyes de la física y a las propiedades de sus materiales, son perfectos para fomentar la arquitectura sostenible, en la que la eficiencia energética pasiva es un pilar fundamental.

Aunque queda mucho trabajo por delante, Bong-hoon y su equipo están convencidos de las posibilidades que ofrecen estos dispositivos a medio y largo plazo: "contribuiremos al ahorro energético en instalaciones industriales y edificios urbanos mediante el desarrollo de aplicaciones prácticas".