Científicos de la Universidad de Notre Dame han desarrollado un revestimiento que bloquea el calor sin afectar el paso de luz. El recubrimiento puede colocarse en ventanas, puertas de cristal e incluso automóviles para reducir la temperatura hasta en 7,2 grados Celsius. Este avance podría disminuir los costes de enfriamiento por aire acondicionado en más de un tercio, según los investigadores.
Los recubrimientos para ventanas que encontramos en el mercado están diseñados para bloquear la luz ultravioleta y la luz infrarroja que genera calor del sol. No obstante, estos filtros están optimizados para la luz que incide directamente en la ventana. El revestimiento propuesto está construido a partir de estructuras fotónicas que permiten la transmisión selectiva del espectro solar en un rango amplio de ángulos.
"El ángulo entre la luz del sol y la ventana siempre cambia. Al mediodía, a menudo el momento más caluroso del día, los rayos del sol entran en ángulos oblicuos por las ventanas instaladas verticalmente", declaró Tengfei Luo, profesor de estudios de energía de la Universidad de Notre Dame y autor del estudio. "Nuestro revestimiento mantiene la funcionalidad y la eficiencia independientemente de la posición del sol en el cielo".
El revestimiento se logra apilando capas ultrafinas de sílice, alúmina y óxido de titanio sobre una base de vidrio. Los investigadores utilizaron computación cuántica para definir la configuración en la que debían mezclar estas capas, de modo que maximizara la luz y redujera el paso de las longitudes de onda que producen calor. Posteriormente, añadieron un polímero de silicio que reflejaba la radiación hacia el exterior, el cual mejoraba el poder de enfriamiento.
De acuerdo con los resultados, el revestimiento es capaz de reducir la temperatura entre 5,4 y 7,2 grados Celsius.
Un revestimiento que reduce el calor y representa un ahorro de energía
Los investigadores están cada vez más interesados en desarrollar filtros ópticos que puedan controlar selectivamente la luz en longitudes de onda específicas. Estos filtros tienen aplicaciones en diversos campos, incluyendo las celdas solares (fotovoltaica), los diodos emisores de luz (LED) y los sensores.
Las estructuras fotónicas de múltiples capas planas (PML) ofrecen un enfoque prometedor para diseñar dichos filtros. Estas estructuras consisten en capas apiladas de diferentes materiales con capacidad para curvar la luz. Al elegir cuidadosamente estos materiales y sus espesores, los científicos pueden diseñar filtros PML que transmiten o reflejan selectivamente la luz según su longitud de onda.
Para este estudio, los investigadores han desarrollado una técnica llamada "esquema de aprendizaje activo asistido por computación cuántica". Este utiliza aprendizaje automático para crear un mapa de posibles soluciones, considerando la relación entre diferentes diseños de filtros y su rendimiento. Posteriormente, un software encontrará la mejor solución con la ayuda de computación cuántica para potenciar el número de cálculos.
El resultado final es un filtro que bloquea la luz ultravioleta (UV) e infrarroja cercana (NIR) no deseada del sol, pero permite que la luz visible pase, independientemente del ángulo en que golpee la ventana. Al aplicarse una capa delgada de polidimetilsiloxano (PDMS), el filtro irradiará calor de regreso a la atmósfera.
"Al igual que las gafas de sol polarizadas, nuestro revestimiento disminuye la intensidad de la luz entrante, pero, a diferencia de las gafas de sol, nuestro revestimiento permanece claro y eficaz incluso cuando lo inclinas en diferentes ángulos."
Tengfei Luo, profesor de estudios de energía de la Universidad de Notre Dame.
El equipo de investigación probó las propiedades físicas de estas estructuras y confirmó su capacidad para reducir significativamente la acumulación de calor dentro de un recinto (de 5,4°C a 7,2°C). Además, el estudio estima un ahorro energético anual de aproximadamente 97,5 MJ/m². Los resultados han sido publicados en la revista Cell Reports Physical Science y sentarían las bases para diseñar una gama de materiales con propiedades complejas.