Esta nueva tecnología podría ayudar a enfriar los ambientes sin electricidad

A medida que el cambio climático provoca más calor extremo, el uso de aires acondicionados se va por los cielos y calienta al planeta aún más. ¿Y si hubiera una manera de enfriar los ambientes sin empeorar la situación climática?

Por Tim Folger
Publicado 6 de ago. de 2021 14:10 GMT-3
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En Columbia University, un panel recubierto con una novedosa película de polímero irradia calor desde la atmósfera al espacio exterior; esto hace que sea mucho más frío que sus alrededores. Los paneles como este podrían reducir la necesidad de aires acondicionados.

Fotografía de Jyotirmoy Mandal

Cuando Rebecca Sunenshine se mudó a Phoenix, Arizona, su primera factura de electricidad la sorprendió. "Llamé a la empresa de servicios y les dije que debían haber cometido un error. Creo que era una factura de 400 o 500 dólares estadounidenses", cuenta Sunenshine, directora médica para el control de enfermedades del Departamento de Salud del Condado de Maricopa. "Y me preguntaron si recién me había mudado".

Estaban en lo cierto. El uso de aire acondicionado representa alrededor de un cuarto del uso energético de Arizona, lo que equivale a más de cuatro veces el promedio nacional. Y no es un lujo. Sin aire acondicionado, el calor del verano en Phoenix puede ser fatal. El año pasado, el condado de Maricopa registró 323 muertes relacionadas con el calor, un récord en el condado. "Hemos tenido el número más alto durante varios años seguidos", señala Sunenshine. Actualmente, el condado está en camino a superar la cantidad del año pasado.

Las temperaturas extremas no se han limitado al sudoeste. Junio fue el mes más cálido que se haya registrado en América del Norte. A principios de julio, una ola de calor sin precedentes se llevó aproximadamente 200 vidas en Oregón y Washington, y se cree que en Columbia Británica otras 600 personas han muerto por el calor.

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.

Estos inquilinos se refrescan en la piscina del complejo de departamentos en Phoenix el 17 de junio de 2021. Phoenix se enfrenta a una crisis doble de calor y viviendas que recae de forma más ardua en las personas que tienen que sufrir al rayo del sol.

Fotografía de Juan Arredondo, The New York Times/Redux

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. "Cuando piensas en lo que hace un aire acondicionado... arroja aire caliente nuevamente a su entorno. Así que todo aire acondicionado está haciendo que su entorno sea un poco más cálido".

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. 

"Los vecindarios que sufren más del efecto isla de calor urbano tienden a ser los de menores ingresos", señala Raman. "Así que es una cuestión de equidad".

Una mejor manera de enfriar

Raman es generalmente reconocido como el fundador de este incipiente campo de investigación. La idea de que podrían existir mejores maneras de enfriar le apareció en 2012 cuando estaba finalizando su doctorado en Stanford University. Mientras leía algunos artículos científicos antiguos, lo intrigó un concepto con el que unos pocos científicos habían jugado unas décadas antes, pero que habían desechado casi de inmediato por considerarlo inviable.

La idea era 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. Mientras está el sol, los objetos no se enfrían más que la temperatura del aire. "Había referencias que nos indicaban que esto era imposible durante el día", cuenta Raman.

Para un joven de posdoctorado, un proyecto imposible ofrecía dos posibilidades: llegar a un callejón sin salida al comienzo de su carrera o descubrir algo que otros no habían visto.

"Es muy difícil encontrar temas en los que otros no estén trabajando", indica Raman. "Y, usualmente, siempre hay una buena razón: porque es complemente inútil".

Raman se había entrenado en la física óptica; había estudiado cómo la luz de diferentes longitudes de onda interactúa con varios materiales. Tenía a su disposición las herramientas y la tecnología que no habían estado disponibles para aquellos investigadores que habían abandonado el trabajo sobre enfriamiento radiativo años antes. Así que, 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.

"Cada tres años, tienen una convocatoria abierta de financiación en la que se puede presentar cualquier tipo de idea", explica Raman. "Y creo que terminan eligiendo un uno por ciento de las presentaciones para financiación. Me dijeron que Steve Chu, secretario de energía por ese entonces, había dicho que no era posible". No obstante, 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. "Probablemente fue una de las becas más pequeñas que hayan dado", menciona.

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 (hasta que los seres humanos comenzaron a quemar combustibles fósiles y cargaron la atmósfera con miles de millones de toneladas de dióxido de carbono).

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.

Una instalación de paneles SkyCool.

Fotografía de SkyCool Systems, Inc.

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".

Una cuestión de durabilidad

Desde que Raman y Fan publicaron sus resultados del experimento en la azotea en 2014, alrededor de una docena de grupos de investigación han diseñado pinturas, geles y hasta bloques de madera que pueden permanecer fríos en plena luz del día. Muchos de los materiales son tan nuevos que la durabilidad sigue siendo una incógnita, en especial si consideramos los lugares donde se utilizarán: azoteas, expuestos a los elementos y la suciedad que inhibirían la radiación infrarroja.

"Hemos evaluado algunos de ellos", señala Tim Hebrink, científico del equipo de 3M, "y se pueden degradar o ensuciar rápidamente". Pero la película de Raman y Fan parece más fácil de mantener y de limpiar que una cobertura de pintura blanca brillante y la tecnología está lista para ser mejorada. "Podemos lograr que esta película venga en rollos de kilómetro y medio de largo, y de uno o dos metros de ancho", explica Hebrink. 

Por ahora, es muy probable que la película se use como suplemento de las tecnologías de enfriamiento convencional como se hizo en el supermercado de California. Paradójicamente, la mayoría de los edificios están tan bien aislados que el calor de adentro no puede pasar hacia la película para que esta lo irradie hacia afuera. Pero la película podría ayudar a enfriar otros tipos de estructuras. La ciudad de Tempe, Arizona, está probando le película de 3M en los techos de unas pocas paradas de autobuses. Algunos resultados preliminares muestran que los techos pueden estar 30 grados más fríos que el aire a su alrededor.

En las paradas de los autobuses de Tempe, se están probando películas radiativas desarrolladas por 3M.

Fotografía de 3M

Y esta tecnología podría ayudar a reducir las muertes por calor. Raman participa del proyecto de UCLA denominado Heat Resistant Los Angeles (Resistencia al Calor Los Ángeles). "La idea es ver si podemos ir más allá con la sombra", se pregunta. Históricamente, las ciudades se han enfocado en brindar árboles que proporcionen sombras, parques y espacios verdes, pero dichos proyectos suelen sortear a las comunidades de bajos recursos y tardan años en montarse. Raman imagina utilizar toldos recubiertos con la película para enfriar espacios grandes al aire libre; esto se podría montar rápido a un costo relativamente bajo.

"Son los primeros pasos del proyecto, así que todavía todo es bastante especulativo", señala. "Pero espero que, en uno o dos años, tengamos algunos resultados y demostraciones para compartir".

¿Enfriando el planeta?

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. Jeremy Munday, ingeniero eléctrico en University of California Davis, estima que cubrir uno o dos por ciento de la superficie de la Tierra con los paneles compensaría el calentamiento provocado por los gases de efecto invernadero. El área sería un poco más grande que la mitad del desierto de Sahara.

El costo, según sus cálculos aproximados, sería de 2,5 trillones de dólares estadounidenses, o de un 10 por ciento del producto bruto interno de Estados Unidos. Pero cuando se lo compara con los efectos calamitosos de la crisis climática, podemos decir que es dinero muy bien invertido, agrega.

"Tienes que pensar de una manera distinta y original", señala Munday. "Sé que es un cliché, pero hemos ido por la misma ruta durante mucho tiempo. Y creo que, en ocasiones, se tiene que cortar por lo sano y hacer grandes cambios".

Es atractivo; es una solución a la crisis que amenaza a todas las naciones de la Tierra. Pero, ¿es remotamente aplicable? “El enfriamiento radiativo podría ayudar significativamente con el efecto de isla urbana, pero dudo mucho que tenga un papel importante en el enfriamiento global", indica Mark Lawrence, climatólogo del Institute for Advanced Sustainability Studies (Instituto de estudios avanzados en sustentabilidad) en Potsdam, Alemania.

Y agrega que un proyecto a gran escala del tipo imaginado por Munday tardaría décadas en construirse y llegaría demasiado tarde para ayudarnos a evitar los efectos más catastróficos del cambio climático. Asimismo, Lawrence señala que el enfriamiento artificial a tal escala podría afectar los patrones de precipitación del mundo dado que las lluvias y la circulación atmosférica están impulsadas por las diferencias de temperatura entre la tierra y el mar. Por ejemplo, algunos modelos climáticos muestran que los esquemas de enfriamiento artificial podrían debilitar las lluvias monzónicas que mantienen a India y África.

La Organización Mundial de la Salud estima que entre 1998 y 2017, las olas de calor se cobraron la vida de al menos 166.000 personas en todo el mundo. Si seguimos emitiendo gases de efecto invernadero a este nivel, el calor letal pondrá a más de mil millones de personas en riesgo para finales de este siglo.

Entonces, la tecnología podría ayudar a enfriar nuestras ciudades y prevenir docenas o cientos de miles de muertes por las brutales olas de calor que vendrán, por lo que no será una hazaña pequeña. Sin embargo, hace décadas que sabemos qué tenemos que hacer para enfriar al mundo entero: dejar a los combustibles fósiles en el suelo.

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