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Enfriamiento radiactivo

En el estudio de la transferencia de calor , el enfriamiento radiativo [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica . Como describe l...

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En el estudio de la transferencia de calor , el enfriamiento radiativo [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica . Como describe la ley de Planck , todo cuerpo físico emite radiación electromagnética de forma espontánea y continua .

El enfriamiento radiativo se ha aplicado en diversos contextos a lo largo de la historia de la humanidad, incluyendo la fabricación de hielo en India e Irán , [ 4 ] escudos térmicos para naves espaciales, [ 5 ] y en arquitectura. En 2014, un avance científico en el uso de metamateriales fotónicos hizo posible el enfriamiento radiativo diurno. [ 6 ] [ 7 ] Desde entonces, se ha propuesto como una estrategia para mitigar el calentamiento local y global causado por las emisiones de gases de efecto invernadero , conocida como enfriamiento radiativo diurno pasivo . [ 8 ]

Enfriamiento radiativo terrestre

Mecanismo

La radiación infrarroja puede atravesar el aire seco y limpio en el rango de longitud de onda de 8 a 13  μm. Los materiales que pueden absorber energía y emitirla en esas longitudes de onda presentan un fuerte efecto de enfriamiento. Los materiales que también pueden reflejar el 95 % o más de la luz solar en el rango de 200 nanómetros a 2,5  μm pueden presentar enfriamiento incluso bajo la luz solar directa. [ 9 ]

presupuesto energético de la Tierra

El sistema Tierra-atmósfera se enfría por radiación, emitiendo radiación de onda larga ( infrarroja ) que equilibra la absorción de energía de onda corta (luz visible) proveniente del sol.

El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente son importantes para extraer calor de la superficie y distribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más importante a mayor altitud. La variación diurna y geográfica complica aún más el panorama.

La circulación atmosférica a gran escala está determinada por la diferencia en la radiación solar absorbida por metro cuadrado, ya que el sol calienta más la Tierra en los trópicos , principalmente debido a factores geométricos. La circulación atmosférica y oceánica redistribuye parte de esta energía como calor sensible y calor latente, en parte a través del flujo medio y en parte a través de remolinos, conocidos como ciclones en la atmósfera. Por lo tanto, los trópicos irradian menos energía al espacio de la que irradiarían si no existiera circulación, y los polos irradian más; sin embargo, en términos absolutos, los trópicos irradian más energía al espacio.

Refrigeración superficial nocturna

El enfriamiento radiativo se experimenta comúnmente en noches despejadas, cuando el calor se irradia al espacio exterior desde la superficie de la Tierra o desde la piel de un observador humano. Este efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados .

Este efecto se puede experimentar comparando la temperatura de la piel tras mirar fijamente al cielo nocturno despejado durante varios segundos con la que se obtiene al colocar una hoja de papel entre la cara y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia a una temperatura aproximada de 3 K (−270,15 °C ; −454,27 °F ) y la hoja de papel a unos 300 K (27 °C; 80 °F) (aproximadamente a temperatura ambiente ), la hoja de papel irradia más calor a la cara que el cosmos oscuro. Este efecto se ve atenuado por la atmósfera terrestre, y en particular por el vapor de agua que contiene, por lo que la temperatura aparente del cielo es mucho mayor que la del espacio exterior. La hoja no bloquea el frío, sino que refleja el calor hacia la cara e irradia el calor que acaba de absorber.      

El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede provocar la formación de escarcha o hielo negro en superficies expuestas al cielo nocturno despejado, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.

La estimación de Kelvin sobre la edad de la Tierra

El término enfriamiento radiativo se usa generalmente para procesos locales, aunque los mismos principios se aplican al enfriamiento a lo largo del tiempo geológico, que Kelvin utilizó por primera vez para estimar la edad de la Tierra (aunque su estimación ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración de radioisótopos, desconocido en ese momento, y los efectos de la convección en el manto).

Astronomía

El enfriamiento radiativo es una de las pocas maneras en que un objeto en el espacio puede liberar energía. En particular, las estrellas enanas blancas ya no generan energía por fusión ni por contracción gravitacional, y carecen de viento solar . Por lo tanto, la única forma en que su temperatura cambia es mediante el enfriamiento radiativo. Esto hace que su temperatura en función de la edad sea muy predecible, de modo que, al observar la temperatura, los astrónomos pueden deducir la edad de la estrella. [ 10 ] [ 11 ]

Aplicaciones

cambio climático

El PDRC puede reducir las temperaturas sin consumo de energía ni contaminación, irradiando calor al espacio exterior. Se ha propuesto su aplicación generalizada como solución al calentamiento global. [ 12 ]

El enfriamiento radiativo pasivo diurno (PDRC), también llamado enfriamiento radiativo pasivo, enfriamiento radiativo pasivo diurno, enfriamiento radiativo del cielo, enfriamiento radiativo fotónico y enfriamiento radiativo terrestre [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] , es el uso de superficies altamente reflectantes y con alta emisividad térmica para reducir la temperatura de un edificio u otro objeto. [ 17 ]

Se ha propuesto como método para reducir los aumentos de temperatura causados ​​por los gases de efecto invernadero al reducir la energía necesaria para el aire acondicionado , [ 18 ] [ 19 ] reduciendo el efecto de isla de calor urbana , [ 20 ] [ 21 ] y las temperaturas del cuerpo humano . [ 22 ] [ 12 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 18 ]

PDRC puede ayudar a sistemas que son más eficientes a temperaturas más bajas, como sistemas fotovoltaicos , [ 15 ] [ 25 ] dispositivos de recolección de rocío y generadores termoeléctricos . [ 15 ] [ 25 ]

Las tecnologías de refrigeración radiativa pasiva utilizan la ventana infrarroja de 8 a 13 μm para irradiar calor al espacio exterior e impedir la absorción solar.

Arquitectura

Los distintos materiales de cubierta absorben más o menos calor. Un albedo más alto , es decir, cuanto más blanco sea el tejado, mayor será su reflectancia solar y su emisión de calor, lo que puede reducir el consumo y los costes energéticos.

Los techos fríos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisividad infrarroja , reduciendo así simultáneamente la ganancia de calor del sol y aumentando la eliminación de calor por radiación. La refrigeración radiativa ofrece, por lo tanto, un potencial para la refrigeración pasiva en edificios residenciales y comerciales. Las superficies de construcción tradicionales, como los revestimientos de pintura, el ladrillo y el hormigón, tienen altas emisividades de hasta 0,96. [ 26 ] Irradian calor hacia el cielo para enfriar pasivamente los edificios por la noche. Si se hacen suficientemente reflectantes a la luz solar, estos materiales también pueden lograr refrigeración radiativa durante el día.

Estudios experimentales han investigado la integración de la refrigeración radiativa diurna en sistemas a escala de edificios mediante configuraciones hidrónicas activas. Una campaña experimental a gran escala realizada en Arganda del Rey (España) evaluó un sistema de refrigeración radiante-capacitiva que combinaba radiadores expuestos al cielo, paneles de techo térmicamente activos y almacenamiento de energía térmica en un circuito cerrado. El sistema alcanzó potenciales de refrigeración promedio de hasta 84,9 W/m² y reducciones de la temperatura interior de hasta 8,7 K en relación con una celda de control, manteniendo el confort térmico bajo temperaturas ambiente cercanas a los 40 °C. [ 27 ]

Los refrigerantes radiactivos más comunes en los edificios son las pinturas blancas para techos fríos, que presentan reflectancias solares de hasta 0,94 y emitancias térmicas de hasta 0,96. [ 28 ] La reflectancia solar de estas pinturas se debe a la dispersión óptica de los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina polimérica, mientras que la emitancia térmica proviene de dicha resina. Sin embargo, dado que los pigmentos blancos típicos, como el dióxido de titanio y el óxido de zinc , absorben la radiación ultravioleta, las reflectancias solares de las pinturas basadas en estos pigmentos no superan el 0,95.

En 2014, los investigadores desarrollaron el primer enfriador radiativo diurno que utiliza una estructura fotónica térmica multicapa que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga al espacio y puede lograr  un enfriamiento 5 °C por debajo de la temperatura ambiente bajo la luz solar directa. [ 29 ] Posteriormente, los investigadores desarrollaron recubrimientos de polímero poroso pintables, cuyos poros dispersan la luz solar para dar una reflectancia solar de 0,96-0,99 y una emitancia térmica de 0,97. [ 30 ] En experimentos bajo la luz solar directa, los recubrimientos alcanzan temperaturas 6  °C por debajo de la temperatura ambiente y potencias de enfriamiento de 96 W/m 2 .

Otras estrategias notables de enfriamiento radiativo incluyen películas dieléctricas en espejos metálicos, [ 31 ] y polímeros o compuestos de polímeros en películas de plata o aluminio. [ 32 ] En 2015 se informaron películas de polímeros plateados con reflectancias solares de 0,97 y emitancia térmica de 0,96, que permanecen 11  °C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de pleno verano. [ 33 ] Los investigadores exploraron diseños con partículas dieléctricas de dióxido de silicio o carburo de silicio incrustadas en polímeros que son translúcidos en las longitudes de onda solares y emisivos en el infrarrojo. [ 34 ] [ 35 ] En 2017, se informó un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice polar resonante incrustadas aleatoriamente en una matriz polimérica. [ 36 ] El material es translúcido a la luz solar y tiene una emisividad infrarroja de 0,93 en la ventana de transmisión atmosférica infrarroja. Cuando se le aplica un recubrimiento de plata, el material logra una potencia de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W/m² bajo la luz solar directa, junto con una fabricación rollo a rollo económica y de alto rendimiento.

La refrigeración radiativa diurna (DRC) amplía estas posibilidades al permitir la disipación del calor incluso bajo la luz solar directa, mediante superficies que emiten radiación infrarroja hacia el cielo a la vez que reflejan la radiación solar. Esta propiedad ha posibilitado el desarrollo de sistemas integrados de refrigeración hidrónica para edificios, en los que radiadores exteriores con superficies DRC enfrían un fluido de transferencia de calor que circula hacia módulos radiantes instalados en el techo del edificio.

Un modelo numérico transitorio validado con datos experimentales de un demostrador a escala real, evaluado para un edificio residencial unifamiliar en Madrid y Roma durante una temporada de refrigeración típica, mostró mejoras en el rendimiento energético estacional del +6,2 % con un material DRC comercial y del +10,3 % con un emisor de banda ancha ideal, en comparación con un sistema limitado a la refrigeración radiativa nocturna. El sistema alcanzó índices de eficiencia energética estacional (SEER) hasta 35 veces superiores a los de los sistemas de aire acondicionado convencionales en los casos analizados, manteniendo al mismo tiempo el confort térmico interior durante toda la temporada de refrigeración. [ 37 ]

escudos térmicos

Los recubrimientos de alta emisividad que facilitan el enfriamiento radiativo pueden utilizarse en sistemas de protección térmica reutilizables (RTPS) en naves espaciales y aeronaves hipersónicas . En estos escudos térmicos, se aplica un material de alta emisividad, como el disilicuro de molibdeno (MoSi₂ ) , sobre un sustrato cerámico termoaislante. [ 5 ] En estos escudos térmicos, es necesario mantener altos niveles de emisividad total, típicamente en el rango de 0,8 a 0,9, en un rango de altas temperaturas. La ley de Planck dicta que a temperaturas más altas el pico de emisión radiativa se desplaza a longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas), lo que influye en la selección del material en función de la temperatura de funcionamiento . Además de un enfriamiento radiativo eficaz, los sistemas de protección térmica radiativa deben proporcionar tolerancia al daño y pueden incorporar funciones de autorreparación mediante la formación de un vidrio viscoso a altas temperaturas.

Telescopio espacial James Webb

El telescopio espacial James Webb utiliza refrigeración radiactiva para alcanzar su temperatura de funcionamiento de aproximadamente 50 K. Para ello, su gran parasol reflectante bloquea la radiación del Sol, la Tierra y la Luna. La estructura del telescopio, que permanece permanentemente a la sombra gracias al parasol, se enfría entonces mediante la radiación.

La fabricación nocturna de hielo en la antigua India e Irán.

Balance energético de enfriamiento radiativo en un yakhchāl
Presupuesto energético de refrigeración radiactiva
Piscina de hielo junto al Meybod yakhchāl en Irán
Piscina de hielo junto al Meybod yakhchāl en Irán

Antes de la invención de la tecnología de refrigeración artificial, la fabricación de hielo mediante enfriamiento nocturno era común tanto en India como en Irán.

En la India, estos aparatos consistían en una bandeja de cerámica poco profunda con una fina capa de agua, colocada al aire libre con una clara exposición al cielo nocturno. El fondo y los lados estaban aislados con una gruesa capa de heno. En una noche despejada, el agua perdía calor por radiación hacia arriba. Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación, la ganancia de calor del aire circundante por convección era lo suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara. [ 38 ] [ 39 ] [ 4 ]

En Irán, esto implicaba la construcción de grandes piscinas de hielo planas , que consistían en una superficie reflectante de agua construida sobre un lecho de material altamente aislante rodeado de altos muros. Los altos muros proporcionaban protección contra el calentamiento por convección, el material aislante de las paredes de la piscina protegía contra el calentamiento por conducción del suelo, y la gran superficie plana de agua permitía que se produjera el enfriamiento por evaporación y radiación.

Tipos

Intensidad de la radiación térmica de onda larga de la Tierra , proveniente de las nubes, la atmósfera y la superficie.

Los tres tipos básicos de refrigeración radiante son la directa, la indirecta y la fluorescente:

  • Refrigeración radiante directa : En un edificio diseñado para optimizar la refrigeración por radiación directa, el techo actúa como un disipador de calor que absorbe las cargas térmicas internas diarias. El techo es el mejor disipador de calor porque es la mayor superficie expuesta al cielo nocturno. La transferencia de calor por radiación con el cielo nocturno elimina el calor del techo, enfriando así la estructura del edificio. Los estanques en el techo son un ejemplo de esta estrategia. El diseño de estanques en el techo se popularizó con el desarrollo del sistema térmico Sky, diseñado por Harold Hay en 1977. Existen diversos diseños y configuraciones para el sistema de estanques en el techo, pero el concepto es el mismo para todos. El techo utiliza agua, ya sea en bolsas de plástico o en un estanque abierto, como disipador de calor, mientras que un sistema de paneles aislantes móviles regula el modo de calefacción o refrigeración. Durante el día en verano, el agua del techo está protegida de la radiación solar y la temperatura ambiente por el aislamiento móvil, lo que le permite actuar como disipador de calor y absorber el calor generado en el interior a través del techo. Por la noche, los paneles se retraen para permitir la radiación nocturna entre el estanque y el cielo nocturno, eliminando así el calor almacenado. En invierno, el proceso se invierte, de modo que el estanque del techo absorbe la radiación solar durante el día y la libera durante la noche al espacio inferior. [ 40 ] [ 41 ]
  • Refrigeración radiante indirecta : Un fluido caloportador extrae el calor de la estructura del edificio mediante la radiación solar. Un diseño común para esta estrategia consiste en una cámara de aire entre el techo del edificio y la superficie del radiador. El aire entra al edificio a través de esta cámara, se enfría gracias al radiador y refrigera la masa del edificio. Durante el día, la masa del edificio actúa como un disipador de calor.
  • Enfriamiento radiante fluorescente : Un objeto puede volverse fluorescente ; absorberá luz en ciertas longitudes de onda, pero irradiará la energía nuevamente en otras longitudes de onda seleccionadas. Al irradiar calor selectivamente en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencias en el que la atmósfera es inusualmente transparente, un objeto puede usar eficazmente el espacio exterior como disipador de calor y enfriarse a temperaturas muy inferiores a la temperatura ambiente. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Véase también

Referencias

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