El profesor Stefan Seelecke y su equipo de la Universidad del Sarre están desarrollando un nuevo tipo de tecnología de refrigeración ecológicamente sostenible y energéticamente eficiente que no requiere el uso de refrigerantes perjudiciales para el clima. La nueva tecnología utiliza materiales con memoria de forma, también conocidos como "músculos artificiales". Estos materiales son capaces de transportar el calor cargando y descargando hilos de níquel-titanio. El equipo de Seelecke está desarrollando esta tecnología para utilizarla en sistemas de refrigeración de vehículos eléctricos.

Desde el humilde frigorífico y el aire acondicionado hasta los complejos sistemas de refrigeración que se utilizan en los procesos industriales, mantenerse fresco es una parte importante de la sociedad actual. El calentamiento global y el aumento de la población mundial hacen que la necesidad de sistemas de refrigeración energéticamente eficientes sea cada vez mayor. Pero las bajas temperaturas suelen significar un alto consumo de electricidad, lo que a su vez suele suponer una elevada huella de carbono y el riesgo de emisiones de gases refrigerantes que suelen tener un alto potencial de calentamiento global. Un equipo de investigación formado por socios académicos e industriales y dirigido por el profesor Stefan Seelecke, de la Universidad de Saarland, y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de la Automatización (ZeMA) está desarrollando actualmente un sistema de refrigeración respetuoso con el medio ambiente.
Nuestro proceso es energéticamente eficiente y no requiere el uso de refrigerantes perjudiciales para el clima. De hecho, nuestra tecnología es hasta 15 veces más eficiente que los sistemas basados en refrigerantes convencionales", explicó Stefan Seelecke. Tanto la Comisión Europea como el Departamento de Energía de Estados Unidos han evaluado el nuevo proceso y lo consideran la alternativa más prometedora a la tecnología de refrigeración por compresión de vapor que se utiliza actualmente.

El equipo de Seelecke ha desarrollado el primer prototipo mundial de funcionamiento continuo que enfría el aire mediante este nuevo proceso. La tecnología de refrigeración que el equipo presenta en la feria de Hannover de este año utiliza fibras musculares artificiales compuestas por haces de hilos ultrafinos con memoria de forma fabricados con la aleación de níquel y titanio "nitinol". Estos hilos tienen la propiedad especial de volver a su forma anterior después de ser estirados o deformados de otra manera. Así, son capaces de tensarse y relajarse como los músculos humanos.

La razón de este comportamiento se encuentra en la estructura de la aleación metálica. Los átomos de la aleación están dispuestos en una estructura de red cristalina. Si el hilo de níquel-titanio se deforma o se tira de él en tensión, las capas de átomos de la red cristalina se mueven unas respecto a otras creando una tensión en el material. Esta tensión se libera cuando el hilo vuelve a su forma original. Estos cambios en la estructura cristalina del material se conocen como transiciones de fase y hacen que los alambres absorban o liberen calor. Este es el efecto que Seelecke y su equipo aprovechan en su novedoso sistema de refrigeración. El material con memoria de forma libera calor a su alrededor cuando se carga mecánicamente en su estado superelástico y absorbe calor de su entorno cuando se descarga. Y este efecto es especialmente pronunciado en el caso del nitinol. Cuando los hilos de nitinol pretensados se descargan a temperatura ambiente, se enfrían hasta 20 grados", explica Stefan Seelecke, titular de la cátedra de sistemas de materiales inteligentes de la Universidad de Saarland.

Aprovechamos esta propiedad para disipar el calor", explica Susanne-Marie Kirsch, que ayudó a desarrollar el sistema de refrigeración en el marco de su proyecto de investigación doctoral. La idea básica es permitir que los hilos superelásticos con memoria de forma se relajen y así enfriar el espacio eliminando el calor", explicó Kirsch. El calor absorbido por los hilos con memoria de forma se libera al exterior cuando los hilos se vuelven a tensar en el entorno.

Sin embargo, el sistema de refrigeración de Saarbrücken es bastante más complejo. El equipo ha diseñado y desarrollado un circuito de refrigeración en el que un accionamiento de leva, pendiente de patente, gira de forma que los haces de hilos de nitinol de 200 micras de grosor se estiran y relajan alternativamente para que el calor se transfiera de la forma más eficiente posible. El aire se sopla a través de los haces de hilo en dos cámaras separadas: en una de ellas el aire se calienta y en la otra se enfría. Así, la máquina puede enfriar y calentar. Cuando los hilos se cargan mecánicamente, se calientan unos 20 grados, por lo que el proceso también puede utilizarse como bomba de calor", explica Felix Welsch, que también trabajó en el sistema prototipo como parte de su doctorado. Dependiendo de la aleación utilizada, la potencia de calentamiento o enfriamiento de esta nueva tecnología es hasta treinta veces mayor que la potencia mecánica necesaria para cargar y descargar los haces de hilos de aleación. Esto hace que el nuevo sistema sea significativamente mejor que las bombas de calor y los refrigeradores convencionales disponibles actualmente.

El sistema de refrigeración es el resultado de muchos años de investigación en diferentes proyectos, numerosas tesis doctorales premiadas y una estrecha colaboración con el grupo dirigido por el profesor Andreas Schütze de la Universidad del Sarre. La financiación corrió a cargo, en parte, de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) a través de su programa prioritario "Refrigeración férrica". Mediante una combinación de estudios experimentales y modelos numéricos, los investigadores pudieron optimizar los mecanismos subyacentes y determinar cuántos hilos de nitinol deben incluirse en un haz o qué nivel de carga de hilos se necesita para lograr un grado específico de refrigeración. A partir de estos resultados, el equipo de investigación puede ahora personalizar el sistema. Han desarrollado un paquete de software que les permite simular, planificar y ajustar los sistemas de refrigeración para aplicaciones específicas.

El equipo de Saarbrücken trabaja actualmente en varios proyectos para seguir optimizando el proceso de transferencia de calor y aumentar así aún más la eficacia de la nueva tecnología. El objetivo es llegar a una fase en la que prácticamente toda la energía de la transición de fase se utilice para calentar o refrigerar.

Los investigadores del equipo de Seelecke trabajan actualmente en el desarrollo de su tecnología elastocalórica para utilizarla como sistema de refrigeración en vehículos eléctricos. Desde enero de 2022, el equipo trabaja con socios académicos e industriales en el proyecto de colaboración NEKKA, financiado por el gobierno, cuyo objetivo es desarrollar un novedoso sistema de refrigeración elastomérico. El proyecto recibirá un total de 6 millones de euros de financiación, de los cuales alrededor de 1 millón se destinará al equipo de Saarbrücken para su proyecto de refrigeración de vehículos eléctricos. Nuestro objetivo es desarrollar, modelar matemáticamente y validar un sistema de aire acondicionado alternativo que pueda utilizarse en todas las clases de vehículos. El sistema será capaz de calentar y refrigerar el vehículo y, al mismo tiempo, será más eficiente, más respetuoso con el medio ambiente y más sostenible que otros sistemas disponibles hasta ahora. Nuestra tecnología también será más compacta, ligera y rentable", explica Paul Motzki, ingeniero de investigación y director general del equipo de Seelecke.
Para desarrollar este y otros sistemas de materiales inteligentes para aplicaciones comerciales e industriales, los investigadores del Laboratorio de Sistemas de Materiales Inteligentes han fundado la empresa derivada "mateligent GmbH".