Con una media de 300 días de sol al año, lo que equivale a unas 2.500 horas solares anuales, España es uno de los países más soleados de Europa. Eso implica unas temperaturas veraniegas más altas y un mayor uso del aire acondicionado, sobre todo en los últimos años, en los que el cambio climático está haciendo estragos. Los 47,6 ºC alcanzados en Córdoba en 2021 siguen siendo la máxima temperatura histórica jamás registrada en nuestro país, pero el 26 enero de 2024 vivimos otra situación insólita: los 30,7 ºC de la Comunidad Valenciana, el récord de temperatura histórico en ese mes en toda Europa.
Para hacer frente a estas temperaturas en ascenso, lo más habitual es recurrir a equipos de aire acondicionado. Sin embargo, su uso implica un gran consumo de energía y hay maneras más baratas y menos contaminantes de enfriar las casas y los coches, también gracias a tecnologías pasivas que enfrían habitaciones sin necesidad de electricidad. Uno de los inventos con mayor potencial en ese sentido son los filtros espectrales ópticos, recubrimientos que se aplican a las ventanas en viviendas o en las lunas de los coches y que permiten el paso de la luz mientras bloquean el calor no deseado.
El último avance en ese sentido proviene de un equipo de científicos de la Universidad de Notre Dame, en EEUU. En un artículo publicado en Cell Reports Physical Science, los investigadores explican cómo este revestimiento es capaz de impedir el paso de la luz ultravioleta e infrarroja, las causantes del aumento de la temperatura, pero permiten el paso de la luz visible independientemente del ángulo del sol. Es una mejora sustancial sobre productos similares ya existentes, que normalmente funcionan únicamente con una inclinación de 90º, y permite un ahorro de más del 50% en el gasto que supone refrigerar espacios interiores.
Filtro espectral
La posibilidad de utilizar filtros selectivos que dejan pasar ciertos tipos de luz y otros no es una tecnología que ya se está explorando en diversos campos, desde las placas solares transparentes hasta los diodos emisores de luz o sensores de todo tipo.
Para fabricarlos, los investigadores usan estructuras fotónicas multicapa planares (también conocidas como PML, por sus siglas en inglés), o lo que es lo mismo, finas capas ópticas apiladas unas encima de otras con índices de refracción distintos. Eso permite a la superficie transmitir o reflejar la luz según su longitud de onda.
Uno de los diagramas del estudio de la Universidad de Notre Dame
Tomando como base este diseño, los investigadores de la Universidad de Notre Dame han diseñado "un filtro espectral hecho de PML para reducir eficazmente el calentamiento óptico reflejando selectivamente los fotones UV e infrarrojo cercano (NIR) de la luz solar mientras se mantiene la transparencia visible", según explican en el artículo.
Una de las ventajas frente a otros estudios y experimentos similares es que han añadido una capa de polímero de un micrómetro de espesor sobre la superficie del filtro, para que emita radiación térmica, lo que conlleva un proceso de enfriamiento radiativo pasivo. Así, este sistema aprovecha las bajas temperaturas del espacio exterior para enfriar el interior de un edificio o un vehículo cuando se necesita.
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Frente a otros revestimientos de ventanas similares que están optimizados para la luz que entra en un ángulo de 90 grados, la gran novedad de este PML es que eso no le afecta, lo que permite un mayor ahorro energético. La hora más calurosa del día suele ser a mediodía, y en ese momento los rayos del sol suelen entrar en las ventanas instaladas verticalmente en ángulos oblicuos.
"El ángulo entre el sol y la ventana cambia constantemente", explica Tengfei Luo, catedrático de estudios energéticos de la Universidad de Notre Dame y director del estudio, en un comunicado de prensa. "Nuestro recubrimiento mantiene la funcionalidad y la eficiencia sea cual sea la posición del sol en el cielo".
Computación cuántica
Luo y su equipo llevan años trabajando con este objetivo y no es el primer revestimiento transparente que presentan ante la comunidad científica. El anterior, que data de 2022, lo fabricaron apilando capas ultrafinas de sílice, alúmina y óxido de titanio sobre una base de vidrio. Luego añadieron un polímero de silicio de un micrómetro de grosor, que permitió aumentar la capacidad refrigerante de la estructura, convirtiéndolo en un refrigerador radiativo transparente (TRC, por sus siglas en inglés).
Para alcanzar un resultado óptimo y ahorrar tiempo y esfuerzo, ya que había millones de combinaciones posibles, recurrieron a la computación cuántica y a algoritmos de aprendizaje automático. Gracias a estas simulaciones por ordenador, los investigadores pudieron probar cada posible configuración de capas en una fracción de segundo, lo que les permitió identificar la combinación y el orden más adecuado de los materiales para obtener la mayor reducción de temperatura.
La primera versión del revestimiento TRC
Este modelo potenciado con IA señaló la composición ideal del revestimiento, que han seguido mejorando para obtener mejores resultados. Una vez fabricada la nueva versión, se sometió a experimentos en condiciones reales, donde mantuvo la transparencia y redujo la temperatura entre 5,4 y 7,2 grados centígrados, incluso cuando la luz se transmitía en una amplia gama de ángulos.
"Al igual que las gafas de sol polarizadas, nuestro recubrimiento disminuye la intensidad de la luz entrante, pero a diferencia de las gafas de sol, nuestro recubrimiento sigue siendo claro y eficaz incluso cuando se inclina en diferentes ángulos", señaló Luo.
Según sus cálculos, este producto podría suponer un ahorro de hasta un 50,5% de energía en comparación con el consumo del aire acondicionado cuando se utilizan ventanas convencionales en climas cálidos como el español. Además, como señalan entre las conclusiones de su estudio, el mismo esquema de aprendizaje automático y computación cuántica desarrollado para crear el revestimiento puede utilizarse para diseñar una amplia gama de materiales con propiedades complejas.