El innovador material que mantiene la temperatura de la casa para no desperdiciar climatización

La amenaza del cambio climático ya no se proyecta en un lejano y catastrófico futuro, sino que tiene efectos visibles en nuestro presente a través del alza de las temperaturas. De hecho, un estudio del CSIC concluyó que el de 2022 fue el más cálido de los últimos 700 años, y los eventos climáticos extremos como inundaciones, huracanes o grandes incendios son cada vez más frecuentes e impredecibles. Para combatirlo, es fundamental desarrollar tecnologías pasivas, como el papel pintado que reduce la pérdida de calor en un 18%. Son soluciones capaces de enfriar o calentar los edificios —o, al menos, mantener su temperatura—, sin gastar energía, por lo que permiten reducir el consumo en aire acondicionado y calefacción. 

Además de pinturas con propiedades aislantes y ladrillos capaces de 'sellar' la temperatura de un hogar, una de las soluciones más estudiadas en los últimos años tiene que ver con la cerámica refrigerante. Los últimos avances, propuestos por investigadores de la City University de Hong Kong (CityU) en un estudio publicado en Science, se basan en un material que refleja la luz del sol y el calor con una eficiencia récord del 99,6%. Además, es barato y fácil de producir a gran escala, lo que le augura un gran futuro en países con veranos tan largos y calurosos como los que estamos viviendo en España.

Estas placas de cerámica blanca utilizan la conocida como refrigeración radiativa pasiva (PRC, por sus siglas en inglés). Gracias a sus propiedades ópticas de alto rendimiento, consiguen generar frío sin necesidad de consumir energía ni utilizar refrigerantes, en diferentes condiciones meteorológicas y zonas geográficas. Su máximo potencial está en la construcción de edificios, sobre todo en tejados y cubiertas, pero no se descarta su utilización en la industria textil o en el transporte. 

Refrigeración pasiva

El principio de la refrigeración radiativa pasiva se basa en la reducción de temperatura que ofrece el espacio exterior, que permanece estable a unos 270 ºC bajo cero. Ese frío extremo puede servir para eliminar el calor de los objetos en la Tierra, si se sabe aprovechar la emisión de las ondas infrarrojas con innovaciones como la de unos científicos suecos, o la propuesta por un equipo procedente de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE) de la City University de Hong Kong.

Hasta la fecha, este tipo de tecnologías utilizaban dos estrategias, y ambas implicaban desventajas. Por un lado, las estructuras nanofotónicas ofrecían grandes propiedades refrigerantes, pero tenían importantes limitaciones debido a su alto coste. Por otro, las alternativas fotónicas poliméricas también funcionaban muy bien en pruebas de laboratorio, pero carecían de resistencia a la intemperie y no ofrecían una reflexión eficaz de los rayos del sol.

Muestras de la cerámica refrigerante con forma de teja. City University of Hong Kong Omicrono

Para solucionar ambos problemas, el equipo hongkonés apostó por una estructura jerárquicamente porosa como material cerámico, capaz de ofrecer "propiedades ópticas avanzadas" además de "una sólida aplicabilidad", según el profesor Edwin Tso Chi-yan, uno de los autores del artículo. "El color, la resistencia a la intemperie, la robustez mecánica y la capacidad de suprimir el efecto Leidenfrost —un fenómeno que impide la transferencia de calor y hace ineficaz la refrigeración líquida en la superficie caliente— son características clave que garantizan la naturaleza duradera y versátil de la cerámica refrigerante".

Como inspiración, Tso y su equipo se fijaron en el escarabajo del género Cyphochilus, nativo de Asia sudoriental, considerado como el animal más blanco del mundo. Su peculiar color procede de una capa ultradelgada de su exoesqueleto, un biomaterial fotónico muy reflectante, que le permite sobrevivir en condiciones de calor extremo.

Biomaterial reflectante

Desde hace décadas, científicos de todo el mundo han intentado replicar su estructura para aprovechar sus cualidades, como la dispersión eficaz de casi todo el espectro de luz solar. Los investigadores hongkoneses han conseguido replicar esa blancura resplandeciente en la cerámica refrigerante, lo que les ha permitido alcanzar una reflectividad del 99,6% y una emisión térmica del infrarrojo medio del 96,5%, propiedades ópticas que superan ampliamente las de los actuales materiales de última generación.

Otra de las principales ventajas de la cerámica creada por los científicos de la City University de Hong Kong es que está basado en la alúmina (óxido de aluminio), un material cerámico de alta dureza, alta estabilidad química y fácil de producir. Al proceso de producción se le añaden dos sencillos pasos, que implican la inversión de fases y la sinterización, para los que no se requieren equipos costosos. Eso hace más viable una producción industrial y a un coste muy competitivo.

La cerámica refrigerante imita la blancura del escarabajo Cyphochilus City University of Hong Kong Omicrono

Esta cerámica, que ofrece los mejores resultados en color blanco pero también puede fabricarse en otros colores gracias a un diseño de doble capa, no sólo reduce la absorción solar, sino que también posee una gran resistencia frente a las inclemencias del tiempo. Es particularmente efectiva frente a la exposición a la luz ultravioleta y, además, aumenta la velocidad de evaporación del agua de la superficie, lo que le permite enfriar el interior de cualquier edificio de forma más rápida.

Además, conserva una gran resistencia al fuego: las pruebas realizadas demuestran que puede soportar temperaturas de más de 1000 ºC sin romperse ni deformarse, lo que supera ampliamente las capacidades de la mayoría de los materiales de refrigeración pasiva basados en polímeros o metales.

La cerámica refrigerante puede fabricarse en diferentes colores City University of Hong Kong Omicrono

Sometida a temperaturas muy elevadas y a la caída de agua, la cerámica refrigerante dispersa inmediatamente las gotas en una capa superficial, lo que facilita la impregnación del material a través de su estructura porosa interconectada. Esta característica es la que permite un enfriamiento suplementario al inhibir el efecto Leidenfrost, habitual en los materiales tradicionales de revestimiento de edificios y principal causante de que no se produzca la evaporación.

"Lo bueno de la cerámica refrigerante es que cumple los requisitos tanto de la PRC de alto rendimiento como de las aplicaciones en la vida real", sostiene Tso. "Nuestro experimento demostró que, aplicando la cerámica refrigerante en el tejado de una casa, se puede conseguir más de un 20% de [reducción de gasto de] electricidad para la refrigeración de espacios. Eso confirma el gran potencial de la cerámica refrigerante para reducir la dependencia de la población de las estrategias tradicionales de refrigeración activa y ofrece una solución sostenible para evitar la sobrecarga de la red eléctrica, las emisiones de gases de efecto invernadero y las islas de calor urbanas".

El siguiente paso del equipo dirigido por el profesor Tso implica mejorar aún más el material y avanzar en otras estrategias de gestión térmica pasiva. A medio y largo plazo no sólo pretende mejorar la eficiencia energética de los edificios, sino también aplicarla en otros sectores como el de la ropa o la automoción. 

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