En colaboración con especialistas en impresión 3D liderados por el profesor Dirk Bähre, también están desarrollando geometrías novedosas y energéticamente eficientes para los elementos de refrigeración. Los cubos brillantes, cada uno con una geometría llamativa, podrían confundirse fácilmente con elegantes objetos decorativos. Sin embargo, para los investigadores que trabajan con estas estructuras impresas en 3D, su atractivo reside en su funcionalidad más que en su estética. Los ingenieros de fabricación del equipo del profesor Dirk Bähre y los especialistas en materiales inteligentes liderados por el profesor Paul Motzki están interesados en cómo se comportan estas estructuras metálicas en los innovadores sistemas de refrigeración y calefacción que se están desarrollando actualmente en Saarbrücken. «Esta es la siguiente etapa en el desarrollo de la tecnología elastocalórica. La investigación que estamos llevando a cabo actualmente sobre estas nuevas estructuras se encuentra todavía en el ámbito de la investigación básica, pero ya estamos pensando en su uso práctico y desarrollando soluciones para aplicaciones en el mundo real», explica Paul Motzki. Las novedosas geometrías de estos nuevos elementos de refrigeración y calefacción están diseñadas para aumentar la eficiencia de la transferencia de calor maximizando la superficie sobre la que se intercambia la energía térmica.

En lugar de refrigerar con refrigerantes perjudiciales para el clima o calentar con combustibles fósiles como el petróleo o el gas, los sistemas elastocalóricos utilizan componentes fabricados con la aleación de memoria de forma níquel-titanio. Hasta ahora, el equipo de Paul Motzki en la Universidad del Sarre ha estado investigando las propiedades elastocalóricas de haces de alambres ultrafinos y láminas delgadas fabricadas con esta aleación. Estos componentes liberan calor cuando se estiran o se comprimen, y absorben calor cuando se elimina la carga mecánica. Los ingenieros de Saarbrücken están utilizando el efecto elastocalórico para transportar calor de un lugar a otro, por ejemplo, para extraer calor de una cámara de refrigeración. Los equipos de investigación de la Universidad del Sarre y del Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken (ZeMA) llevan más de 15 años investigando el efecto elastocalórico, con el objetivo a largo plazo de refrigerar y calentar automóviles, edificios e instalaciones industriales de una manera respetuosa con el medio ambiente y energéticamente eficiente. En la Feria de Hannover de este año, el equipo está demostrando que su tecnología ha ido más allá de la mera investigación fundamental y ya está bien encaminada hacia aplicaciones en el mundo real.

Nuevos materiales interesantes
En todo el mundo se consumen enormes cantidades de energía para la refrigeración y la calefacción, y a medida que cambia el clima, la demanda seguirá aumentando. A diferencia de los métodos convencionales de refrigeración y calefacción, la tecnología elastocalórica promete una eficiencia significativamente mayor. Al funcionar exclusivamente con electricidad, los sistemas elastocalóricos son tan limpios como la electricidad que se utiliza para alimentarlos. La Comisión Europea ha identificado la refrigeración elastocalórica como la alternativa más prometedora a las tecnologías de refrigeración convencionales, y el Foro Económico Mundial la incluyó entre las «Diez tecnologías emergentes más importantes». La tecnología se basa en las propiedades especiales del níquel-titanio, una aleación que, cuando se deforma, se comporta de manera muy diferente a los metales convencionales.

El níquel-titanio es lo que se conoce como una «aleación con memoria de forma», es decir, el material puede deformarse y luego volver a su forma original, debido a una transformación de fase reversible entre dos estructuras cristalinas sólidas. Esta transformación de fase va acompañada de una transferencia de calor. «A temperatura ambiente, la aleación se encuentra en su fase de alta temperatura. Cuando aplicamos una tensión de tracción o compresión al material, lo obligamos a adoptar la fase de baja temperatura. Se trata de un proceso exotérmico en el que el material se calienta y libera calor al entorno. Una vez que el material se ha enfriado de nuevo hasta la temperatura ambiente, liberamos la tensión mecánica. Esto permite que la aleación vuelva a su fase de alta temperatura y, dado que se trata de un proceso endotérmico, el material se enfría», explica Paul Motzki. En pocas palabras: cuando se estira un alambre de níquel-titanio, libera calor al aire o al líquido que fluye a su alrededor; cuando se elimina la tensión, se enfría y es capaz de absorber calor del entorno. Este ciclo de deformación mecánica de carga y descarga repetidas por tracción es el principio clave que subyace a la nueva tecnología. No se requieren sensores adicionales, ya que el propio material posee propiedades sensoriales intrínsecas. «Cada deformación de los alambres corresponde a un valor específico de resistencia eléctrica. Así, las mediciones de resistencia nos indican exactamente cómo se está deformando el material en un momento dado. Eso significa que, en la práctica, se integra un sensor de posición», explica Motzki.
Los investigadores de Saarbrücken pretenden maximizar la transferencia de energía térmica aumentando al máximo la superficie. Cuanto mayor sea la superficie, más eficientemente se podrá transferir el calor al medio de trabajo —aire o agua—. Hasta ahora, el equipo ha aumentado la superficie creando haces que contienen muchos alambres ultrafinos con memoria de forma. En la próxima generación de estos dispositivos, los elementos de refrigeración y calentamiento proporcionarán aún más superficie de contacto al incorporar una estructura geométrica porosa de níquel-titanio. Para lograr este objetivo, el grupo de investigación de Paul Motzki está colaborando con el equipo de Dirk Bähre para desarrollar una intrincada estructura de níquel-titanio por la que pueda fluir el medio de transferencia de calor (aire o agua). Los investigadores están perfeccionando y optimizando el diseño de estas delicadas celosías de aleación. Se están sometiendo a pruebas experimentales diversas geometrías complejas para determinar qué estructuras producen la transferencia de calor más eficiente. Las estructuras tridimensionales de aleación se producen capa a capa mediante fabricación aditiva en una impresora 3D.

Preparación de la tecnología para aplicaciones en el mundo real
Mientras continúan los experimentos y las pruebas de laboratorio, Motzki y su equipo también están trabajando para desarrollar el campo emergente de los elastocalóricos con vistas a su implementación en el mundo real. Los materiales que se utilizarán en los futuros sistemas de refrigeración elastocalóricos deberán ser aptos para el funcionamiento continuo en frigoríficos y unidades de refrigeración. «Estamos trabajando para desarrollar materiales y diseños que sean lo suficientemente robustos para un uso continuo y que faciliten el mantenimiento. Incorporamos preguntas sobre posibles aplicaciones futuras en el proceso de desarrollo desde el principio; es un principio fundamental de nuestra investigación y también da forma a los planes de estudios de nuestros programas de grado, como Ingeniería de Sistemas y Materiales y Ingeniería Sostenibles», afirma Paul Motzki, quien, al igual que Dirk Bähre, cuenta con la participación de numerosos investigadores doctorales, así como de estudiantes de grado, en este trabajo.

Una de las cuestiones que se aborda experimentalmente es cómo someter a carga mecánica los materiales de manera que se garantice una larga vida útil. Esto implica adaptar las propiedades de la aleación a los regímenes de ciclos de tracción y compresión. «Por ejemplo, en diseños que utilizan haces de alambre, queremos alcanzar una vida útil de más de un millón de ciclos», afirma Paul Motzki. Sin embargo, en algún momento, incluso el mejor material se fatiga. «Por eso también estamos desarrollando un concepto de sustitución sencillo y rápido. Estamos diseñando los componentes pertinentes de modo que puedan intercambiarse fácilmente, ya que la facilidad de mantenimiento es un factor clave para determinar si esta nueva tecnología puede traducirse en un despliegue fiable en el día a día», explica Motzki.

Financiación y proyectos actuales en elastocalórica
El Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio de Alemania financia el proyecto «DEPART!Saar» con hasta 18 millones de euros en el marco de su programa «T!Raum». El objetivo de este proyecto es fortalecer la economía del Sarre mediante el desarrollo de estructuras regionales de innovación y transferencia que aceleren la transferencia de la tecnología elastocalórica a aplicaciones del mundo real. En el proyecto SmartCool, financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía, los ingenieros de Saarbrücken colaboran con Volkswagen AG, Fraunhofer IPM y la empresa Ingpuls para desarrollar sistemas de refrigeración ligeros y energéticamente eficientes para vehículos eléctricos. En otro proyecto de investigación, el equipo colabora con socios europeos para desarrollar un sistema de aire acondicionado elastocalórico que pueda utilizarse para refrigerar y calentar habitaciones individuales de edificios residenciales. El consorcio del proyecto, liderado por Paul Motzki, recibirá una financiación total de 4 millones de euros en el marco del «EIC Pathfinder Challenge» del Consejo Europeo de Innovación. Con financiación adicional procedente de una «ERC Starting Grant» del Consejo Europeo de Investigación, Paul Motzki y su equipo están avanzando en la tecnología elastocalórica utilizando una combinación única a nivel mundial de materiales con memoria de forma y actuadores de película inteligente. Los elastómeros dieléctricos son el segundo campo de materiales inteligentes en el que Paul Motzki es un reconocido experto.