En Saarland (Alemania) se está desarrollando un nuevo tipo de tecnología de aire acondicionado que puede enfriar y calentar de forma más sostenible y económica que los sistemas comerciales actuales. La tecnología, que utiliza el efecto elastocalórico, funciona sin refrigerantes volátiles, aceite o gas. En los sistemas elastocalóricos, la transferencia de calor se consigue simplemente deformando mecánicamente finos alambres y láminas de aleación de níquel-titanio.

El equipo de investigación dirigido por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki de la Universidad de Saarland está desarrollando ahora sistemas prototipo para su uso en vehículos. El objetivo es lograr la comercialización en un plazo de cinco años.

Según la física, el frío es simplemente una ausencia de calor. Para enfriar algo, hay que eliminar el calor; para calentarlo, hay que añadir calor. Una idea bastante simple y que los investigadores de Saarbrücken han podido llevar a cabo de una manera particularmente innovadora. El equipo hace uso de una propiedad especial de la aleación de níquel-titanio con «memoria de forma» («nitinol» o «Ni-Ti»). En pocas palabras, al tirar repetidamente de haces de alambres o láminas de nitinol ultradelgadas y luego dejarlos relajarse, el calor puede absorberse en un lugar y luego disiparse en otro. Basándose en este principio elemental, el equipo de investigación dirigido por Stefan Seelecke y Paul Motzki en la Universidad de Saarland y el Centro de Tecnología de Mecatrónica y Automatización (ZeMA) de Saarbrücken han estado desarrollando su novedosa tecnología de aire acondicionado en proyectos de investigación innovadores que han recibido millones en financiación.

La tecnología elastocalórica ha sido reconocida por la Comisión Europea como una de las alternativas más prometedoras a los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. El Foro Económico Mundial incluyó el proceso elastocalórico en su lista de las «Diez tecnologías emergentes más importantes» en 2024. En comparación con las tecnologías de refrigeración convencionales, que consumen mucha energía y pueden contaminar el medio ambiente con refrigerantes y gases de efecto invernadero perjudiciales para el clima, la tecnología que se está desarrollando en Saarbrücken es más eficiente energéticamente y tan limpia como la electricidad que se utiliza para alimentarla. Los sistemas elastocalóricos prescinden de los refrigerantes y combustibles fósiles perjudiciales para el medio ambiente. El campo de los elastocalóricos, en el que Stefan Seelecke y Paul Motzki se encuentran entre los pioneros, tiene el potencial de desempeñar un papel significativo en la lucha contra la crisis energética mundial. Según la Agencia Federal de Medio Ambiente de Alemania, el consumo final de energía (es decir, la energía total consumida por los usuarios finales) para calefacción y refrigeración representa algo más de la mitad del consumo final total de energía de Alemania. Además, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) informa de que la refrigeración de espacios por sí sola representa actualmente el doce por ciento de la demanda energética mundial total. «Las previsiones apuntan a que esta cifra podría triplicarse para 2050», afirma Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes para la Producción Innovadora en la Universidad del Sarre y director científico y consejero delegado de ZeMA.

La elastocalórica está empezando a entrar en la fase de tecnología madura. Los investigadores están deseosos de traducir sus hallazgos en soluciones industriales y comerciales prácticas. Para facilitar la transferencia de conocimientos, el gobierno alemán está invirtiendo más de 17 millones de euros durante un período de nueve años en el proyecto DEPART!Saar, que tiene como objetivo reunir a investigadores de Sarre con instituciones de investigación y socios industriales.

En otro proyecto que acaba de ponerse en marcha, el equipo de Saarbrücken está trabajando con Volkswagen AG, el Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física de Friburgo (IPM) y la empresa Ingpuls GmbH de Bochum. El objetivo es utilizar la tecnología elastocalórica para desarrollar un sistema de aire acondicionado ligero y de bajo consumo para vehículos eléctricos y desarrollar un medio para enfriar las baterías de tracción en los vehículos eléctricos. «El proyecto ha recibido una financiación de 3,5 millones de euros del Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Acción Climática de Alemania y actualmente estamos desarrollando los primeros prototipos», explica Paul Motzki.

En otro nuevo proyecto de investigación, el equipo está trabajando en un sistema de aire acondicionado elastocalórico que puede utilizarse para enfriar y calentar habitaciones individuales de un edificio residencial a través de ranuras de ventilación en las paredes exteriores. El año pasado, Paul Motzki y su equipo formaron parte de un consorcio europeo que ganó el prestigioso «EIC Pathfinder Challenge» del Consejo Europeo de Innovación, dotado con 4 millones de euros. Este premio se otorga en reconocimiento a «tecnologías visionarias y radicalmente nuevas que tienen el potencial de facilitar las transiciones sociales necesarias, abordar los desafíos globales y establecer nuevos mercados». Durante los próximos tres años, se desarrollará un prototipo de sistema de aire acondicionado en el «SMACool», cuyos socios incluyen la Universidad de Liubliana, la Universidad de Nápoles Federico II y la empresa irlandesa exergyn. «El sistema elastocalórico actúa como refrigerador y bomba de calor al mismo tiempo. Con una eficiencia de tres a cinco veces superior a la de un sistema convencional, nuestra tecnología necesita mucha menos energía eléctrica para funcionar», afirma el profesor Motzki, responsable científico del proyecto.

Ya sea utilizando el sistema para refrigerar o para calentar, el equipo es capaz de lograr diferencias de temperatura de unos 20 °C. «Esto se aplica a un componente de una sola etapa», explica Motzki. «Si construimos sistemas de varias etapas, podemos lograr diferencias de temperatura mucho mayores». La base de todos los prototipos elastocalóricos que se están desarrollando en Saarbrücken es la inusual propiedad de «memoria de forma» de la aleación de níquel-titanio. El níquel-titanio tiene dos redes cristalinas, es decir, dos fases cristalográficas con dimensiones físicas ligeramente diferentes. El término «aleación con memoria de forma» (AMF) se utiliza para reflejar la capacidad del material de volver a un estado anterior (estructura de red cristalina) mediante una transformación de fase reversible. Todos sabemos que el agua puede existir en tres estados físicos o «fases»: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor de agua). Pero a diferencia del agua, las fases del níquel-titanio están ambas en estado sólido. Cuando una de las fases se transforma en la otra, los alambres o láminas de SMA absorben calor; cuando esa fase se transforma de nuevo, el material disipa el calor a su entorno. Así, el aire que fluye sobre la aleación de níquel-titanio cuando sufre un cambio de fase se enfriará o calentará, y este efecto puede utilizarse, por ejemplo, para enfriar o calentar espacios dentro de edificios. «Dependiendo de la aplicación concreta, utilizamos alambres SMA, láminas finas o incluso componentes impresos en 3D con geometrías complejas», explica Motzki.

Pero aunque el principio subyacente parece bastante sencillo, crear un sistema práctico de refrigeración y calefacción a partir de estos materiales requiere una ingeniosa innovación técnica. Los expertos de Saarbrücken han construido prototipos cuidadosamente diseñados que pueden funcionar de forma continua. Han construido modelos de demostración que son capaces de seguir induciendo transformaciones de fase en láminas o alambres metálicos para que el calor pueda transferirse hacia o desde un medio como el aire, el agua o una mezcla de agua y glicol que fluye sobre el material SMA. Las preguntas que aborda el equipo incluyen la mejor manera de aplicar cargas mecánicas a la aleación de níquel-titanio para lograr el efecto de enfriamiento o calentamiento deseado, cómo mejorar la eficiencia del proceso, cómo optimizar los flujos de fluidos, qué forma de chapa metálica o qué haz de cables es el más adecuado para una aplicación concreta. Los investigadores también han desarrollado un software que les permite ajustar la tecnología de calentamiento y enfriamiento para diferentes aplicaciones y simular y planificar sistemas de refrigeración. «Queremos aprovechar el potencial innovador de los elastocalóricos en una amplia gama de aplicaciones, desde electrodomésticos hasta sistemas de refrigeración industrial», afirma Paul Motzki. El equipo de Saarbrücken está colaborando con otros expertos en la materia, como Ingpuls GmbH, para examinar todo el ciclo de vida del producto, desde las materias primas hasta la fabricación de componentes y el reciclaje al final de su vida útil.

La tecnología de Saarbrücken es el fruto de más de 15 años de investigación en proyectos multimillonarios y en tesis doctorales que han ganado varios premios internacionales. Entre los resultados se encuentran el primer modelo de demostración del mundo del efecto elastocalórico continuo aire-aire y el primer minifrigorífico elastocalórico del mundo.

El frigorífico elastocalórico tiene una pista de levas patentada y especialmente diseñada que hace girar continuamente haces de alambres de nitinol de 200 micras de grosor alrededor de una cámara de refrigeración circular. A medida que los haces de alambres giran alrededor de la pista circular, se tiran (es decir, se ponen bajo tensión) en un lado del círculo y se les permite relajarse de nuevo en el otro. El aire fluye a través de los haces giratorios hacia la cámara de refrigeración, donde los alambres se relajan de nuevo (es decir, experimentan una recuperación elástica), lo que extrae calor del aire. A medida que continúan girando, los alambres de nitinol calientes transportan el calor que han absorbido fuera de la cámara de refrigeración. Una vez fuera de la cámara de enfriamiento, transfieren este calor al entorno. «Dentro de la cámara de enfriamiento, el aire solo entra en contacto con los cables descargados (sin tensión). Con este prototipo podemos bajar a temperaturas de unos 15 grados centígrados», dice Paul Motzki.

«Otro aspecto importante de nuestra tecnología es que es autosensora. Cada valor de resistencia eléctrica corresponde a un estado particular de deformación de los haces o láminas de alambre. Utilizando inteligencia artificial, nuestro sistema es ahora capaz de reconocer la posición precisa de manera eficiente y precisa en todo momento, incluso en caso de interferencia», explica el profesor Motzki.

Antecedentes
Tecnología de memoria de forma
El equipo que investiga materiales inteligentes en la Universidad del Sarre y en el Centro de Tecnología de Mecatrónica y Automatización (ZeMA) de Saarbrücken fue fundado por el profesor Stefan Seelecke. En colaboración con el profesor Paul Motzki, el trabajo de investigación en este campo ha experimentado un crecimiento sustancial en los últimos años. El equipo de investigación está utilizando la tecnología de memoria de forma para una amplia gama de aplicaciones, que van desde pinzas robóticas hasta válvulas y bombas de bajo consumo energético. La tecnología se está estudiando en numerosos proyectos de investigación de grado, posgrado y doctorado. Muchos de los resultados se han difundido ampliamente en revistas científicas de gran impacto, y numerosos artículos han recibido reconocimiento internacional. El trabajo de investigación ha recibido una importante financiación de la UE y de la Fundación Alemana para la Investigación (DFG).

Los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki han fundado recientemente la «Sociedad Internacional de Elastocaloríca». Con sede en Saarbrücken, esta sociedad científica internacional tiene como objetivo reunir a la comunidad investigadora en este campo de investigación emergente y crear redes con la industria y las empresas con vistas a la futura comercialización de la tecnología elastocalórica. La segunda Conferencia Internacional de Elastocaloríca tendrá lugar en Saarbrücken del 13 al 15 de mayo de 2025. En los años siguientes, la conferencia rotará a un país anfitrión diferente cada año.