La tecnología que podría ayudar a enfriar los ambientes sin electricidad

Mientras las temperaturas globales continúen en ascenso, la demanda de aire acondicionado aumentará. Se espera que, en los próximos 20 años, la electricidad necesaria para alimentar los aires acondicionados del mundo se triplique. Los combustibles fósiles que se queman para que funcionen ya agregan alrededor de 117 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono en la atmósfera por año, solo en Estados Unidos. Los mismos dispositivos que mantienen fríos los ambientes están ayudando a asar el planeta.

Incluso más allá de su huella de carbono, los aires acondicionados tienen un efecto más directo en sus alrededores, explica Aaswath Raman, profesor de ingeniería de University of California Los Ángeles.

Encontrar una alternativa más amigable con el ambiente que los sistemas de aire acondicionado ha sido el foco del trabajo de Raman por casi una década. Está al frente de una pequeña comunidad global de investigadores que han estado desarrollando una variedad de materiales, entre ellos pinturas, películas delgadas y madera, todos con una singular propiedad: gracias a las longitudes de onda de luz, pueden enfriar el aire circundante, en algunos casos unos 10 grados o más, sin una fuente de energía externa.

Estos nuevos materiales podrían ayudar a mitigar algunos de los efectos de la crisis climática, en especial en ciudades donde el efecto isla de calor urbano puede subir las temperaturas en más de 17 grados. 

Una mejor manera de enfriar

La idea de Raman es aprovechar un fenómeno natural conocido como enfriamiento radiativo para disminuir la temperatura de los objetos. Enfriamiento radiativo es jerga física para un proceso que sucede a menudo: cualquier cosa que se haya calentado mediante una fuente de calor, se enfría cuando se quita la fuente de calor. El ejemplo más conocido es el objeto grande que tenemos bajo nuestros pies: la propia Tierra, que se calienta durante el día y se enfría después del ocaso ya que libera el calor al espacio.

Unos pocos investigadores se han preguntado si podría haber alguna manera de manipular los materiales para que irradien calor aun en pleno día, pero el esfuerzo pareció en vano.

En 2012, envió una propuesta a Advanced Research Projects Agency-Energy o ARPA-E (Agencia de proyectos de investigación avanzada en energía), una rama del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La agencia le dio a Raman 400.000 dólares estadounidenses y un plazo de un año para desarrollar un material que se mantuviera frío aun en los días más calurosos. 

Longitud de onda específica

Raman se asoció a Shanhui Fan, su mentor en Stanford. Planearon construir una película delgada, pero multicapas que aprovecharía la manera en que la atmósfera de la Tierra le permite al calor escaparse al espacio. Toda la energía solar absorbida por la superficie de la Tierra se remite constantemente como radiación infrarroja, una forma de luz con una longitud de onda más extensa que la luz visible.

El vapor del agua, el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero absorben un poco de esa radiación infrarroja y calientan la atmósfera. Ese proceso ha mantenido el clima mundial en relativa estabilidad y habitabilidad .

Sin embargo, la atmósfera no absorbe toda la radiación infrarroja; un poco de ella se escapa al espacio. Resulta que la atmósfera de la Tierra es transparente a ciertas longitudes de onda infrarrojas, concretamente las longitudes de onda entre 8 y 13 micrómetros. Pensemos en la atmósfera como una tela finita con varios agujeros. Raman y Fan se dieron cuenta de que si podían lograr que su película emitiera radiación infrarroja en ese rango, la radiación pasaría por los agujeros de la atmósfera al espacio; la película naturalmente se enfriaría y bajaría las temperaturas del ambiente incluso durante el día.

Su película consistía en capas alternativas de sílice (vidrio) y dióxido de hafnio, un compuesto utilizado en la industria óptica para cubrir las lentes y los espejos. Al ajustar el grosor de las capas individuales, Raman y Fan crearon una película que era tanto altamente reflectante de la luz visible (por lo tanto, no se calentaría con el sol) como un excelente emisor de radiación infrarroja en las longitudes de onda justas para pasar por la atmósfera sin obstáculos. Por ejemplo, si la película cubriera la capota de un auto, conduciría el calor fuera de ella y la enfriaría sin utilizar electricidad.

En seis o siete meses, Raman y Fan supieron que su experimento funcionaba. Se encontraban en la azotea de un edificio de ingeniería en el campus de Stanford con una muestra de su película expuesta al sol. Las azoteas pueden volverse muy calurosas en verano y pueden alcanzar temperaturas de hasta 60 grados centígrados. Para hacer un control al azar, hicieron una prueba simple: le dieron sombra a la película. Normalmente, cuando algo recibe sombra, se enfría. Pero la película se calentó porque la radiación infrarroja ya no se escapaba a la atmósfera, sino que chocaba contra el material tapado y lo calentaba, y este, a su vez, calentaba el aire alrededor de la película.

"Es todo lo contrario a la lógica", reflexiona Raman. "Es más calurosa en la sombra porque estás bloqueando su vista del cielo". Nuevamente al rayo del sol, la película se volvió notoriamente más fría al tacto, alrededor de 10 grados por debajo de la temperatura de la atmósfera.

Siguiendo ese éxito, Raman, Fan y su colega de Stanford Eli Goldstein cofundaron una empresa denominada SkyCool y trabajaron con 3M para desarrollar y comercializar esta tecnología. En la primavera del 2020, SkyCool instaló paneles recubiertos con esta película en la azotea de un supermercado en California. La película enfría el agua que corre por los paneles y luego esta pasa a los aires acondicionados y refrigeradores convencionales del edificio enfriando sus componentes y disminuyendo la cantidad de electricidad utilizada para hacerlos funcionar. Raman señala que "eso es alrededor de un 15 a un 20 por ciento en ahorro energético".

Al menos un científico imagina un esquema aún más ambicioso: erigir un conjunto de paneles a gran escala recubiertos de una película parecida a la de Raman y Fan para enfriar al planeta entero y tal vez ralentizar o revertir el calentamiento global.