El postdoc del MIT, Grace Han, maneja un nuevo compuesto químico que podría proporcionar una alternativa al combustible al funcionar como un tipo de batería térmica. Los investigadores del MIT crean material para una “batería” de calor químico que podría liberar su energía a demanda.
En grandes partes del mundo en desarrollo, las personas tienen abundante calor del sol durante el día, pero la mayoría de las cocciones se llevan a cabo más tarde cuando el sol está bajo, usando combustible, como madera, maleza o estiércol, que se recolecta con tiempo y esfuerzo.
Ahora, un nuevo compuesto químico desarrollado por investigadores del MIT podría proporcionar una alternativa. Podría usarse para almacenar el calor del sol o de cualquier otra fuente durante el día en un tipo de batería térmica, y podría liberar el calor cuando sea necesario, por ejemplo para cocinar o calentar después del anochecer.
Un enfoque común para el almacenamiento térmico es usar lo que se conoce como material de cambio de fase (PCM), donde el calor de entrada derrite el material y su cambio de fase, de sólido a líquido, almacena energía. Cuando el PCM vuelve a enfriarse por debajo de su punto de fusión, vuelve a ser un sólido, en cuyo punto la energía almacenada se libera en forma de calor. Hay muchos ejemplos de estos materiales, incluidas ceras o ácidos grasos utilizados para aplicaciones a baja temperatura, y sales fundidas que se usan a altas temperaturas. Pero todos los PCM actuales requieren una gran cantidad de aislamiento, y atraviesan esa temperatura de cambio de fase sin control, perdiendo su calor almacenado relativamente rápido.
En cambio, el nuevo sistema usa interruptores moleculares que cambian de forma en respuesta a la luz; cuando se integra en el PCM, la temperatura de cambio de fase del material híbrido puede ajustarse con luz, permitiendo que la energía térmica del cambio de fase se mantenga incluso por debajo del punto de fusión del material original.
Esta configuración de lámpara LED azul se utiliza para activar la descarga de calor de películas a gran escala de materiales de cambio de fase.(Melanie Gonick / MIT)
Los nuevos hallazgos, escritos por postdocs del MIT Grace Han y Huashan Li y el profesor Jeffrey Grossman, se publican esta semana en la revista Nature Communications .
“El problema con la energía térmica es que es difícil mantenerla”, explica Grossman. Así que su equipo desarrolló lo que son esencialmente complementos para materiales de cambio de fase tradicionales, o “pequeñas moléculas que experimentan un cambio estructural cuando la luz brilla sobre ellas”. El truco era encontrar una manera de integrar estas moléculas con materiales PCM convencionales para liberar la energía almacenada como calor, a pedido. “Hay tantas aplicaciones donde sería útil almacenar energía térmica de una manera que te permita disparar cuando sea necesario”, dice.
Los investigadores lograron esto combinando los ácidos grasos con un compuesto orgánico que responde a un pulso de luz. Con esta disposición, el componente sensible a la luz altera las propiedades térmicas del otro componente, que almacena y libera su energía. El material híbrido se derrite cuando se calienta y, después de exponerlo a la luz ultravioleta, se derrite incluso cuando vuelve a enfriarse. Luego, cuando se dispara por otro pulso de luz, el material se vuelve a solidificar y devuelve la energía térmica de cambio de fase.
“Al integrar una molécula activada por la luz en la imagen tradicional del calor latente, agregamos un nuevo tipo de perilla de control para propiedades como fusión, solidificación y sobreenfriamiento”, dice Grossman, que es el Profesor Morton and Claire Goulder and Family en Sistemas medioambientales, así como profesor de ciencia e ingeniería de materiales.
El material de almacenamiento de energía térmica activado por UV muestra la cristalización rápida y la descarga de calor con la luz visible (LED azul). (Grupo Grossman en el MIT)
El sistema podría hacer uso de cualquier fuente de calor, no solo solar, dice Han. “La disponibilidad de calor residual está muy extendida, desde los procesos industriales hasta el calor solar, e incluso el calor que sale de los vehículos, y por lo general solo se desperdicia”. Aprovechar parte de ese desperdicio podría proporcionar una forma de reciclar ese calor para aplicaciones útiles.
“Lo que estamos haciendo técnicamente”, explica Han, “es instalar una nueva barrera de energía, para que el calor almacenado no pueda liberarse inmediatamente”. En su forma almacenada químicamente, la energía puede permanecer por largos períodos hasta que se active el activador óptico. En sus versiones iniciales de laboratorio a pequeña escala, mostraron que el calor almacenado puede permanecer estable durante al menos 10 horas, mientras que un dispositivo de tamaño similar que almacena calor directamente lo disiparía en unos pocos minutos. Y “no hay una razón fundamental por la que no se pueda ajustar para ir más alto”, dice Han.
En el sistema de prueba de concepto inicial, “el cambio de temperatura o sobreenfriamiento que alcanzamos para este material de almacenamiento térmico puede ser de hasta 10 grados C (18 F), y esperamos que podamos ir más alto”, dice Grossman.
Bajo un microscopio de campo oscuro, el entorno a microescala muestra que el rápido crecimiento del cristal puede monitorearse fácilmente.(Grupo Grossman en el MIT)
Ya, en esta versión, “la densidad de energía es bastante significativa, a pesar de que estamos utilizando un material de cambio de fase convencional”, dice Han. El material puede almacenar alrededor de 200 julios por gramo, que dice que es “muy bueno para cualquier material orgánico de cambio de fase”. Y ya, “la gente ha mostrado interés en usar esto para cocinar en la India rural”, dice ella. Dichos sistemas también podrían usarse para secar cosechas agrícolas o para calentar espacios.
“Nuestro interés en este trabajo fue mostrar una prueba de concepto”, dice Grossman, “pero creemos que existe un gran potencial para utilizar materiales activados por la luz para secuestrar las propiedades de almacenamiento térmico de los materiales de cambio de fase”.
“Esta es una investigación altamente creativa, donde la clave es que los científicos combinen un material de cambio de fase impulsado térmicamente con una molécula fotoconmutada, para construir una barrera de energía para estabilizar el almacenamiento de energía térmica”, dice Junqiao Wu, profesor de ciencia de materiales y ingeniería en la Universidad de California en Berkeley, que no participó en la investigación. “Creo que el trabajo es importante, ya que ofrece una forma práctica de almacenar energía térmica, que ha sido un reto en el pasado”.
El trabajo fue apoyado por el Centro Tata de Tecnología y Diseño dentro de la Iniciativa de Energía del MIT.
Fuente: MIT