El enfriamiento radiativo pasivo diurno ( PDRC ) (también enfriamiento radiativo pasivo , enfriamiento radiativo pasivo diurno , enfriamiento radiativo del cielo , enfriamiento radiativo fotónico y enfriamiento radiativo terrestre [2] [3] [4] [5] ) es el uso de superficies reflectantes/ emisoras térmicamente sin energía para reducir la temperatura de un edificio u otro objeto. [6]
Se ha propuesto como método para reducir los aumentos de temperatura causados por los gases de efecto invernadero mediante la reducción de la energía necesaria para el aire acondicionado , [7] [8] disminuyendo el efecto de isla de calor urbana , [9] [10] y disminuyendo las temperaturas corporales humanas . [11] [1] [12] [13] [7]
Los PDRC pueden ayudar a los sistemas que son más eficientes a temperaturas más bajas, como los sistemas fotovoltaicos , [4] [14] los dispositivos de recolección de rocío y los generadores termoeléctricos . [15] [14]
Algunas estimaciones proponen que dedicar entre el 1% y el 2% de la superficie de la Tierra al PDRC estabilizaría las temperaturas de la superficie. [16] [3] Las variaciones regionales proporcionan diferentes potenciales de enfriamiento, y los climas desérticos y templados se benefician más que los climas tropicales , atribuidos a los efectos de la humedad y la cobertura de nubes . [17] [18] [19] Los PDRC se pueden incluir en sistemas adaptativos, cambiando de enfriamiento a calefacción para mitigar cualquier posible efecto de "sobreenfriamiento". [20] [21] Las aplicaciones de PDRC para la refrigeración de espacios interiores están creciendo con un "tamaño de mercado estimado de ~$27 mil millones en 2025". [22]
Las superficies PDRC están diseñadas para tener una alta reflectancia solar para minimizar la ganancia de calor y una fuerte transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) que coincide con la ventana infrarroja de la atmósfera (8-13 μm). [23] [2] [3] Esto permite que el calor pase a través de la atmósfera hacia el espacio . [6] [24]
Los PDRC aprovechan el proceso natural de enfriamiento radiativo, en el que la Tierra se enfría liberando calor al espacio . [25] [26] [7] El PDRC funciona durante el día. [27] En un día claro, la irradiancia solar puede alcanzar 1000 W/m 2 con un componente difuso entre 50-100 W/m 2 . El PDRC promedio tiene un poder de enfriamiento estimado de ~100-150 W/m 2 , proporcional al área de superficie expuesta . [28] [29]
Las aplicaciones de PDRC se implementan como superficies orientadas al cielo. [14] Los materiales PDRC escalables de bajo costo con potencial para la producción en masa incluyen recubrimientos , películas delgadas , metatelas, aerogeles y superficies biodegradables .
Aunque normalmente es blanco, otros colores también pueden funcionar, aunque generalmente ofrecen un menor potencial de enfriamiento. [30] [31]
La investigación, el desarrollo y el interés en los PDRC han crecido rápidamente desde la década de 2010, atribuible a un avance en el uso de metamateriales fotónicos para aumentar la refrigeración diurna en 2014, [4] [32] [15] [33] junto con las crecientes preocupaciones sobre el uso de energía y el calentamiento global. [34] [35] El PDRC se puede contrastar con los sistemas de refrigeración tradicionales basados en compresión (por ejemplo, los acondicionadores de aire) que consumen cantidades sustanciales de energía, tienen un efecto de calentamiento neto (calentando el exterior más que enfriando el interior), requieren un fácil acceso a la energía eléctrica y a menudo emplean refrigerantes que agotan el ozono o tienen un fuerte efecto invernadero , [36] [37]
A diferencia de la gestión de la radiación solar , el PDRC aumenta la emisión de calor más allá de la simple reflexión. [38]
Un estudio de 2019 informó que "la adopción a gran escala del enfriamiento radiativo podría reducir la temperatura del aire cerca de la superficie, si no de toda la atmósfera". [5] Para abordar el calentamiento global, los PDRC deben diseñarse "para garantizar que la emisión se produzca a través de la ventana de transparencia atmosférica y hacia el espacio, en lugar de solo hacia la atmósfera, lo que permitiría un enfriamiento local pero no global". [38]
En la actualidad, la Tierra absorbe aproximadamente 1 W m 2 más de lo que emite, lo que provoca un calentamiento global del clima. Al cubrir una pequeña fracción de la Tierra con materiales que emitan calor, se puede aumentar el flujo de calor que se aleja de la Tierra y reducir el flujo radiativo neto a cero (o incluso hacerlo negativo), estabilizando así (o enfriando) la Tierra (...) Si solo se hiciera que el 1%–2% de la superficie de la Tierra irradiara a esta tasa en lugar de su valor promedio actual, los flujos totales de calor hacia y desde toda la Tierra se equilibrarían y el calentamiento cesaría. [12] La cobertura total estimada de la superficie es de 5×10 12 m 2 o aproximadamente la mitad del tamaño del desierto del Sahara . [38]
—Jeremy Munday
Los climas desérticos tienen el mayor potencial de enfriamiento radiativo debido a la baja humedad durante todo el año y la cobertura de nubes, mientras que los climas tropicales tienen un potencial menor debido a una mayor humedad y cobertura de nubes. [5] [39] Los costos para la implementación global se han estimado en $ 1,25 a $ 2,5 billones o alrededor del 3% del PIB mundial, con economías de escala esperadas . [38] Se han desarrollado materiales escalables de bajo costo para una implementación a gran escala, aunque aún quedan algunos desafíos hacia la comercialización . [40] [41]
Algunos estudios recomendaron esfuerzos para maximizar la reflectancia solar o el albedo de las superficies, con el objetivo de lograr una emitancia térmica del 90 %. Por ejemplo, aumentar la reflectividad de 0,2 (tejado típico) a 0,9 tiene un impacto mucho mayor que mejorar una superficie ya reflectante, como por ejemplo de 0,9 a 0,97. [10]
Los estudios han reportado muchos beneficios del PDRC:
Se ha afirmado que el PDRC es más estable, adaptable y reversible que la inyección de aerosol estratosférico (SAI). [45]
Wang et al. afirmaron que la SAI "podría causar amenazas potencialmente peligrosas para las operaciones climáticas básicas de la Tierra" que podrían no ser reversibles, y por lo tanto preferían el PDRC. [46] Munday señaló que si bien "probablemente ocurrirán efectos inesperados" con la implementación global del PDRC, "estas estructuras pueden eliminarse inmediatamente si es necesario, a diferencia de los métodos que implican la dispersión de material particulado en la atmósfera, que puede durar décadas". [38]
En comparación con el enfoque de superficies reflectantes para aumentar el albedo de la superficie, por ejemplo pintando los techos de blanco, o las propuestas de espejos espaciales de "desplegar superficies reflectantes gigantes en el espacio", Munday afirmó que "la mayor reflectividad probablemente no alcanza lo que se necesita y tiene un alto costo financiero". [38] El PDRC se diferencia del enfoque de superficies reflectantes al "aumentar la emisión de calor radiativo de la Tierra en lugar de simplemente disminuir su absorción solar". [38]
La medida básica de los PDRC es su reflectividad solar (en 0,4–2,5 μm) y emisividad térmica (en 8–13 μm), [2] para maximizar la "emisión neta de radiación térmica de onda larga " y minimizar la "absorción de radiación de onda corta descendente ". [5] Los PDRC utilizan la ventana infrarroja (8–13 μm) para la transferencia de calor con la frialdad del espacio exterior (~2,7 K ) para irradiar calor y, posteriormente, reducir las temperaturas ambientales con un aporte de energía cero. [5]
Los PDRC imitan el proceso natural de enfriamiento radiativo , en el que la Tierra se enfría a sí misma liberando calor al espacio exterior ( presupuesto energético de la Tierra ), aunque durante el día, reduciendo las temperaturas ambientales bajo la intensidad solar directa. [5] En un día claro, la irradiancia solar puede alcanzar los 1000 W/m 2 con un componente difuso entre 50 y 100 W/m 2 . A partir de 2022, el PDRC promedio tenía una potencia de enfriamiento de ~100–150 W/m 2 . [20] La potencia de enfriamiento es proporcional a la superficie de la instalación . [15]
Las mediciones más útiles se obtienen en un entorno del mundo real. Se han propuesto dispositivos estandarizados. [47]
La evaluación de la radiación atmosférica de onda larga descendente basada en "el uso de las condiciones climáticas ambientales, como la temperatura y la humedad del aire en la superficie, en lugar de los perfiles atmosféricos dependientes de la altitud ", puede ser problemática ya que "la radiación de onda larga descendente proviene de varias altitudes de la atmósfera con diferentes temperaturas, presiones y contenidos de vapor de agua" y "no tiene densidad, composición y temperatura uniformes en todo su espesor". [5]
Los emisores de banda ancha poseen una alta emitancia tanto en el espectro solar como en la ventana LWIR atmosférica (8 a 14 μm), o emisores selectivos, lo que significa que solo emiten radiación infrarroja de onda larga. [20]
En teoría, los emisores térmicos selectivos pueden lograr una mayor potencia de enfriamiento. [20] Sin embargo, los emisores selectivos enfrentan desafíos en aplicaciones del mundo real que pueden debilitar su rendimiento, como la condensación gota a gota (común incluso en climas semiáridos ) que puede acumularse incluso en superficies hidrófobas y reducir la emisión. [48] Los emisores de banda ancha superan a los materiales selectivos cuando "el material es más cálido que el aire ambiente, o cuando su temperatura superficial subambiental está dentro del rango de varios grados". [9]
Cada tipo puede ser ventajoso para ciertas aplicaciones. Los emisores de banda ancha pueden ser mejores para aplicaciones horizontales, como techos, mientras que los emisores selectivos pueden ser más útiles en superficies verticales como fachadas de edificios , donde la condensación gota a gota es intrascendente y se puede lograr su mayor poder de enfriamiento. [48]
Los emisores de banda ancha se pueden hacer dependientes del ángulo para mejorar potencialmente el rendimiento. [20] El polidimetilsiloxano (PDMS) es un emisor de banda ancha común. [48] La mayoría de los materiales PDRC son de banda ancha, principalmente debido a su menor costo y mayor rendimiento a temperaturas superiores a la ambiente. [49]
La combinación de PDRC con otros sistemas puede aumentar su poder de enfriamiento. Cuando se incluyen en un sistema combinado de aislamiento térmico , enfriamiento evaporativo y enfriamiento radiativo que consiste en "un reflector solar, una capa evaporativa rica en agua y emisora de IR, y una capa de aislamiento permeable al vapor, transparente a los IR y que refleja la luz solar", se demostró un poder de enfriamiento ambiental 300% mayor [ aclaración necesaria ] . Esto podría extender la vida útil de los alimentos en un 40% en climas húmedos y en un 200% en climas secos sin refrigeración . Sin embargo, el sistema requiere "recargas" de agua para mantener el poder de enfriamiento. [50]
Un espejo fotónico asimétrico (APM) de modo dual, compuesto por rejillas difractivas de silicio, podría lograr refrigeración durante todo el año, incluso en condiciones nubladas y húmedas, así como calefacción. La potencia de refrigeración del APM podría ser un 80 % superior a la de los refrigeradores radiativos independientes. En condiciones de cielo nublado, podría lograr 8 °C más de refrigeración y, en el caso de la calefacción, 5,7 °C. [51]
El potencial de enfriamiento de las distintas áreas varía principalmente en función de las zonas climáticas , los patrones meteorológicos y los eventos. Las regiones secas y cálidas generalmente tienen un mayor poder de enfriamiento radiativo (hasta 120 W m 2 ), mientras que las regiones más frías o aquellas con alta humedad o cobertura de nubes generalmente tienen menos. [39] El potencial de enfriamiento cambia estacionalmente debido a los cambios en la humedad y la cobertura de nubes. [5] Se han realizado estudios que mapean el potencial de enfriamiento radiativo diurno en China, [37] India, [52] Estados Unidos, [53] y en toda Europa. [54]
Las regiones secas como el oeste de Asia, el norte de África, Australia y el suroeste de los Estados Unidos son ideales para el PDRC debido a la relativa falta de humedad y cobertura de nubes a lo largo de las estaciones. El potencial de enfriamiento para las regiones desérticas se ha estimado en "un rango superior de 80 a 110 W m 2 ", [5] y 120 W m 2 . [39] El desierto del Sahara y el oeste de Asia son la zona más grande de la Tierra con un potencial de enfriamiento tan alto. [5]
Es probable que el potencial de enfriamiento de las regiones desérticas permanezca relativamente insatisfecho debido a las bajas densidades de población, lo que reduce la demanda de refrigeración local, a pesar del tremendo potencial de enfriamiento. [5]
Los climas templados tienen un alto potencial de enfriamiento radiativo y una mayor densidad de población, lo que puede aumentar el interés en los PDRC. Estas zonas tienden a ser zonas "de transición" entre climas secos y húmedos. [5] Las áreas con alta población en zonas templadas pueden ser susceptibles a un efecto de "sobreenfriamiento" de los PDRC debido a los cambios de temperatura del verano al invierno, que se pueden superar con la modificación de los PDRC para ajustarlos a los cambios de temperatura. [20]
Si bien los PDRC han demostrado ser exitosos en regiones templadas, alcanzar el mismo nivel de desempeño es más difícil en climas tropicales. Esto se ha atribuido principalmente a la mayor irradiancia solar y radiación atmosférica, particularmente humedad y nubosidad. [17] El potencial de enfriamiento promedio de los climas tropicales varía entre 10 y 40 W m 2 , significativamente menor que en climas cálidos y secos. [5]
Por ejemplo, el potencial de enfriamiento de la mayor parte del sudeste asiático y del subcontinente indio disminuye significativamente en verano debido a un aumento drástico de la humedad, que desciende hasta 10–30 W/m2 . Otras zonas similares, como las áreas de sabana tropical en África, experimentan una disminución más modesta durante el verano, que desciende hasta 20–40 W/m2 . Sin embargo, las regiones tropicales generalmente tienen un albedo o forzamiento radiativo más alto debido a la cobertura nubosa sostenida y, por lo tanto, su superficie terrestre contribuye menos al albedo planetario. [5]
Un estudio de 2022 informó que una superficie de PDRC en climas tropicales debe tener una reflectancia solar de al menos el 97% y una emisión infrarroja de al menos el 80% para reducir las temperaturas. El estudio aplicó un BaSO 4 - K
2ENTONCES
4revestimiento con una "reflectancia solar y emisión infrarroja (8–13 μm) de 98,4% y 95% respectivamente" en el clima tropical de Singapur y logró una "temperatura subambiente diurna sostenida de 2°C" bajo una intensidad solar directa de 1000 W m 2 . [17]
La humedad y la cobertura de nubes debilitan significativamente la eficacia del PDRC. [7] Un estudio de 2022 señaló que "las variaciones verticales tanto de la concentración de vapor como de la temperatura en la atmósfera" pueden tener un impacto considerable en los enfriadores radiativos. Los autores informaron que los aerosoles y la cobertura de nubes pueden debilitar la eficacia de los radiadores y, por lo tanto, concluyeron que se necesitan "estrategias de diseño de enfriadores radiativos" adaptables para maximizar la eficacia en estas condiciones climáticas. [18]
La formación de condensación gota a gota en las superficies de PDRC puede alterar la emisión infrarroja de los emisores de PDRC selectivos, lo que puede debilitar su rendimiento. Incluso en entornos semiáridos , formación de rocío. Otro estudio de 2022 informó que el poder de enfriamiento de los emisores selectivos "puede ampliar las emitancias de banda estrecha del emisor selectivo y reducir su poder de enfriamiento subambiental y sus supuestos beneficios de enfriamiento sobre los emisores de banda ancha" [48] y que:
Nuestro trabajo muestra que los beneficios asumidos de los emisores selectivos son incluso menores cuando se trata de la mayor aplicación de enfriamiento radiativo: el enfriamiento de techos de edificios. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que para fachadas de edificios verticales que experimentan ganancias de calor terrestre de banda ancha en verano y pérdidas en invierno, los emisores selectivos pueden lograr termorregulación estacional y ahorros de energía. Dado que la formación de rocío parece menos probable en superficies verticales incluso en entornos excepcionalmente húmedos, los beneficios termorreguladores de los emisores selectivos probablemente persistirán tanto en condiciones de funcionamiento húmedas como secas. [48]
La lluvia puede ayudar a limpiar las superficies de PDRC cubiertas de polvo, suciedad u otros residuos. Sin embargo, en áreas húmedas, la lluvia constante puede generar una acumulación de agua que puede afectar el rendimiento. Los PDRC porosos pueden mitigar estas condiciones. [55] Otra respuesta es fabricar PDRC hidrófobos autolimpiantes. Los PDRC hidrófobos escalables y sostenibles que evitan los COV pueden repeler el agua de lluvia y otros líquidos. [56]
El viento puede alterar la eficiencia de las superficies y tecnologías de enfriamiento radiativo pasivo. Un estudio de 2020 propuso utilizar una "estrategia de inclinación y una estrategia de cobertura eólica" para mitigar los efectos del viento. Los investigadores informaron sobre diferencias regionales en China y señalaron que "el 85 % de las áreas de China pueden lograr un rendimiento de enfriamiento radiativo con cobertura eólica", mientras que en el noroeste de China los efectos de la cobertura eólica serían más sustanciales. [19] Bijarniya et al. propone de manera similar el uso de un escudo contra el viento en áreas susceptibles a vientos fuertes. [7]
Las superficies de PDRC pueden estar hechas de varios materiales. Sin embargo, para una aplicación generalizada, los materiales de PDRC deben ser de bajo costo, estar disponibles para la producción en masa y ser aplicables en muchos contextos. La mayoría de las investigaciones se han centrado en recubrimientos y películas delgadas, que tienden a estar más disponibles para la producción en masa, son de menor costo y más aplicables en una gama más amplia de contextos, aunque otros materiales pueden ofrecer potencial para aplicaciones específicas. [40] [41] [57] [58]
La investigación del PDRC ha identificado alternativas de materiales más sostenibles, aunque no sean totalmente biodegradables . [34] [59] [60] [61] [62] Un estudio de 2023 informó que "la mayoría de los materiales del PDRC ahora son polímeros no renovables , productos químicos fotónicos artificiales o sintéticos, que causarán emisiones excesivas de CO2 al consumir combustibles fósiles e irán en contra del objetivo global de neutralidad de carbono. Los materiales renovables de base biológica respetuosos con el medio ambiente deberían ser un material ideal para diseñar sistemas PDRC". [63]
Se ha informado de que los materiales y estructuras fotónicos avanzados, como películas delgadas multicapa, micro/nanopartículas, cristales fotónicos , metamateriales y metasuperficies , son enfoques potenciales. [64] Sin embargo, si bien las estructuras nanofotónicas multicapa y complejas han demostrado ser exitosas en escenarios experimentales y simulaciones, un estudio de 2022 informó que la aplicación generalizada "está severamente restringida debido a los complejos y costosos procesos de preparación". [41] De manera similar, un estudio de 2020 informó que "la producción escalable de radiadores fotónicos artificiales con estructuras complejas, propiedades sobresalientes, alto rendimiento y bajo costo sigue siendo un desafío". [65] Esto ha avanzado en la investigación de estructuras más simples para materiales PDRC posiblemente más adecuados para la producción en masa. [64]
_oxide_2.jpg/1280px-Bismuth(III)_oxide_2.jpg)
Los recubrimientos de PDRC, como las pinturas, pueden resultar ventajosos dada su aplicación directa sobre las superficies, lo que simplifica la preparación y reduce los costos, [41] aunque no todos los recubrimientos son económicos. [66] Un estudio de 2022 afirmó que los recubrimientos generalmente ofrecen "una gran operatividad, un procesamiento conveniente y un bajo costo, que tienen la perspectiva de una utilización a gran escala". [40] Los recubrimientos de PDRC se han desarrollado en colores distintos del blanco, aunque siguen demostrando una alta reflectancia solar y emisividad térmica. [30]
Los recubrimientos deben ser duraderos y resistentes a la suciedad, lo que se puede lograr con PDRC porosos [55] o capas superiores hidrófobas que puedan soportar la limpieza, aunque los recubrimientos hidrófobos utilizan politetrafluoroetileno o compuestos similares para ser resistentes al agua. [66] Los impactos ambientales negativos se pueden mitigar limitando el uso de otros solventes tóxicos comunes en las pinturas, como la acetona . Se han desarrollado pinturas no tóxicas o a base de agua. [66] [60]
Los recubrimientos de polímeros porosos (PPC) presentan un excelente rendimiento de PDRC. Estos polímeros tienen una alta concentración de poros diminutos, que dispersan la luz de manera efectiva en el límite entre el polímero y el aire. Esta dispersión mejora tanto la reflectancia solar (más del 96 %) como la emitancia térmica (97 % del calor), lo que reduce las temperaturas de la superficie seis grados por debajo de las del entorno al mediodía en Phoenix. Este proceso se basa en una solución, lo que facilita la escalabilidad. [67] [68] El tinte del color deseado se recubre sobre el polímero. En comparación con el tinte tradicional en polímero poroso, en el que el tinte se mezcla con el polímero, el nuevo diseño puede enfriar de manera más efectiva. [69]
Un estudio de 2018 informó una reducción significativa de los costos de recubrimiento, afirmando que "los medios fotónicos, cuando se aleatorizan adecuadamente para minimizar el camino libre medio de transporte de fotones, se pueden usar para recubrir un sustrato negro y reducir su temperatura mediante enfriamiento radiativo". Este recubrimiento podría "superar a la pintura blanca reflectante solar disponible comercialmente para el enfriamiento diurno" sin pasos de fabricación o materiales costosos. [70]
_(3247568711).jpg/1280px-Neocerambyx_gigas_(Thomson,_1878)_(3247568711).jpg)
Muchas películas delgadas ofrecen una alta reflectancia solar y emisión de calor. Sin embargo, las películas con patrones o estructuras precisas no son escalables "debido al costo y las dificultades técnicas inherentes a la litografía precisa a gran escala " (2022), [9] o "debido a la compleja litografía/síntesis a nanoescala y la rigidez" (2021). [73]
La película de hidrogel de poliacrilato [74] del estudio de 2022 tiene aplicaciones más amplias, incluidos posibles usos en la construcción de edificios y sistemas de gestión térmica a gran escala. Esta investigación se centró en una película desarrollada para refrigeración pasiva híbrida. La película utiliza poliacrilato de sodio , un material industrial de bajo coste, para conseguir una alta reflectancia solar y una alta emisión de infrarrojos medios. Una característica importante de este material es su capacidad para absorber la humedad atmosférica, lo que favorece el enfriamiento por evaporación . Este mecanismo tripartito permite un enfriamiento eficiente en condiciones atmosféricas variables, incluida una alta humedad o un acceso limitado a cielos despejados. [74]
Los PDRC pueden estar hechos de metatejidos, que pueden usarse en prendas de vestir para proteger o regular la temperatura corporal. La mayoría de los metatejidos están hechos de fibras derivadas del petróleo. [78] Por ejemplo, un estudio de 2023 informó que "es necesario desarrollar nuevas películas fibrosas de celulosa flexibles con microestructuras jerárquicas similares a la madera para aplicaciones de PDRC portátiles". [63]
Un estudio de 2021 eligió un compuesto de óxido de titanio y ácido poliláctico (TiO2-PLA) con una laminación de politetrafluoroetileno (PTFE). El tejido se sometió a una caracterización óptica y térmica, midiendo la reflectividad y la emisividad. Las simulaciones numéricas, incluida la teoría de Lorenz-Mie y las simulaciones de Monte Carlo , fueron cruciales para predecir el rendimiento del tejido y guiar la optimización. Se realizaron pruebas mecánicas para evaluar la durabilidad, la resistencia y la practicidad del tejido. [79]
El estudio reveló una capacidad excepcional para facilitar el enfriamiento radiativo. El tejido alcanzó una emisividad del 94,5 % y una reflectividad del 92,4 %. Esta combinación de alta emisividad y reflectividad es fundamental para sus capacidades de enfriamiento, superando significativamente a los tejidos tradicionales. Además, las propiedades mecánicas del tejido, incluidas la resistencia, la durabilidad, la impermeabilidad y la transpirabilidad, confirmaron su idoneidad para la confección de prendas de vestir. [79] [80] [81]
Los aerogeles ofrecen un potencial material de bajo costo escalable para la producción en masa. Algunos aerogeles pueden considerarse una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que otros materiales, con potencial degradable y la ausencia de sustancias químicas tóxicas. [83] [61] Los aerogeles pueden ser útiles como aislamiento térmico para reducir la absorción solar y la ganancia de calor parásita para mejorar el rendimiento de refrigeración de los PDRC. [84]
Los pigmentos absorben la luz. Las burbujas de jabón muestran un prisma de diferentes colores en sus superficies. Estos colores son el resultado de la forma en que la luz interactúa con los diferentes espesores de la superficie de la burbuja, lo que se denomina color estructural . Un estudio informó que los nanocristales de celulosa (CNC), que se derivan de la celulosa que se encuentra en las plantas, podrían convertirse en películas iridiscentes y coloridas sin pigmento añadido. Hicieron películas con colores azul, verde y rojo que, cuando se colocaron bajo la luz del sol, eran un promedio de casi 7ᵒF más frías que el aire circundante. La película generó más de 120 W m -2 de potencia de enfriamiento. [87]
Muchos de los materiales de enfriamiento radiativo propuestos no son biodegradables . Un estudio de 2022 informó que "no se han investigado lo suficiente los materiales sustentables para el enfriamiento radiativo". [34]
Un dispositivo fotónico de microrejilla de sílice enfrió células de silicio comerciales en 3,6 °C bajo una intensidad solar de 830 W m −2 a 990 W m −2 . [88]
El enfriamiento radiativo pasivo diurno tiene "el potencial de aliviar simultáneamente los dos problemas principales de la crisis energética y el calentamiento global" [1] junto con una "tecnología de refrigeración de protección ambiental". [40] Los PDRC tienen una variedad de aplicaciones potenciales, pero ahora se aplican con mayor frecuencia a varios aspectos del entorno construido , como envolventes de edificios , pavimentos fríos y otras superficies para disminuir la demanda de energía, los costos y las emisiones de CO 2 . [89] El PDRC se ha aplicado para la refrigeración de espacios interiores , la refrigeración urbana exterior, la eficiencia de las células solares , la refrigeración de condensadores de plantas de energía , entre otras aplicaciones. [7] [15] [33] Para aplicaciones al aire libre, la durabilidad del PDRC es un requisito importante. [49]
La aplicación más común es en las envolventes de los edificios, incluidos los techos fríos . Un PDRC puede duplicar el ahorro energético de un techo blanco. [15] Esto hace que los PDRC sean una alternativa o complemento al aire acondicionado que reduce la demanda de energía y reduce la liberación de hidrofluorocarbonos (HFC) del aire acondicionado a la atmósfera. Los HFC pueden ser miles de veces más potentes que el CO 2 . [7] [15] [41] [8]
El aire acondicionado representa entre el 12% y el 15% del consumo energético mundial [7] [78], mientras que las emisiones de CO2 del aire acondicionado representan el "13,7% de las emisiones de CO2 relacionadas con la energía , aproximadamente 52,3 EJ al año" [40] o el 10% de las emisiones totales [78] . Se espera que las aplicaciones de aire acondicionado aumenten [30] . Sin embargo, esto se puede reducir significativamente con la producción en masa de PDRC de bajo costo para la refrigeración de espacios interiores [7] [8] [91] Una superficie de PDRC multicapa que cubra el 10% del techo de un edificio puede reemplazar el 35% del aire acondicionado utilizado durante las horas más calurosas del día [7] .
En las zonas residenciales unifamiliares suburbanas , los PDRC pueden reducir los costos de energía entre un 26% y un 46% en los Estados Unidos [90] y reducir las temperaturas en un promedio de 5,1 °C. Con la adición de "almacenamiento en frío para utilizar el exceso de energía de enfriamiento del agua generada durante las horas de menor demanda, los efectos de enfriamiento del aire interior durante los períodos de máxima demanda de enfriamiento pueden mejorarse significativamente" y las temperaturas del aire pueden reducirse entre 6,6 y 12,7 °C. [92]
En las ciudades, los PDRC pueden producir importantes ahorros de energía y costos. En un estudio sobre ciudades de EE. UU., Zhou et al. descubrieron que "las ciudades en regiones cálidas y áridas pueden lograr altos ahorros de consumo anual de electricidad de >2200 kWh , mientras que <400 kWh es alcanzable en ciudades más frías y húmedas", clasificando de mayor a menor por ahorro de consumo de electricidad de la siguiente manera: Phoenix (~2500 kWh), Las Vegas (~2250 kWh), Austin (~2100 kWh), Honolulu (~2050 kWh), Atlanta (~1500 kWh), Indianápolis (~1200 kWh), Chicago (~1150 kWh), Nueva York (~900 kWh), Minneapolis (~850 kWh), Boston (~750 kWh), Seattle (~350 kWh). [92] En un estudio que proyectó ahorros de energía para las ciudades indias en 2030, Mumbai y Calcuta tenían un potencial de ahorro de energía menor, Jaisalmer , Varansai y Delhi tenían un potencial mayor, aunque con variaciones significativas de abril a agosto dependiendo de la humedad y la cobertura del viento. [52]
El creciente interés y aumento de la aplicación de PDRC en edificios se ha atribuido a los ahorros de costos relacionados con "la gran magnitud de la superficie de los edificios globales, con un tamaño de mercado de ~$27 mil millones en 2025", como se estima en un estudio de 2020. [89]
Las superficies de PDRC pueden mitigar el calor extremo del efecto de isla de calor urbano que ocurre en más de 450 ciudades en todo el mundo. Puede ser hasta 10–12 °C (18–22 °F) más caliente en áreas urbanas que en áreas rurales cercanas . [9] [10] En un día caluroso de verano promedio, los techos de los edificios pueden ser 27–50 °C (49–90 °F) más calientes que el aire circundante, calentando aún más las temperaturas del aire a través de la convección . Los techos oscuros bien aislados son significativamente más calientes que todas las demás superficies urbanas, incluidos los pavimentos de asfalto, [10] expandiendo aún más la demanda de aire acondicionado (que acelera aún más el calentamiento global y la isla de calor urbana a través de la liberación de calor residual al aire ambiente) y aumentando los riesgos de enfermedades relacionadas con el calor y efectos fatales para la salud. [9] [43] [44]
Los PDRC se pueden aplicar a los techos de los edificios y a los refugios urbanos para reducir significativamente las temperaturas de la superficie con un consumo de energía cero al reflejar el calor fuera del entorno urbano y hacia el espacio exterior. [9] [10] El principal obstáculo para la implementación de PDRC es el deslumbramiento que puede producirse a través del reflejo de la luz visible sobre los edificios circundantes. Las superficies de PDRC coloreadas pueden mitigar el deslumbramiento. [66] como Zhai et al. [30] "Las pinturas superblancas con esferas retrorreflectivas comerciales de alto índice (n~1,9) ", [66] o el uso de materiales retrorreflectantes (RRM) también pueden mitigar el deslumbramiento. [10] Los edificios circundantes sin PDRC pueden debilitar el poder de enfriamiento de los PDRC. [90]
Incluso cuando se instalan en techos de áreas urbanas altamente densas, los paneles de enfriamiento radiativo de banda ancha reducen las temperaturas de la superficie a nivel de la acera . [93] Un estudio de 2022 evaluó los efectos de las superficies de PDRC en invierno, incluidas las PDRC no moduladas y moduladas, en el área metropolitana de Calcuta . Una PDRC no modulada con una reflectancia de 0,95 y una emisividad de 0,93 redujo las temperaturas de la superficie del suelo en casi 4,9 °C (8,8 °F) y con una reducción diurna promedio de 2,2 °C (4,0 °F). [9]
Si bien en verano los efectos de enfriamiento de los PDRC no modulados de banda ancha pueden ser deseables, podrían presentar un efecto de "sobreenfriamiento" incómodo para las poblaciones de la ciudad en invierno y, por lo tanto, aumentar el uso de energía para calefacción. Esto se puede mitigar con PDRC modulados de banda ancha, que encontraron que podrían aumentar las temperaturas ambientales urbanas diarias en 0,4-1,4 °C (0,72-2,52 °F) en invierno. Si bien en Calcuta el "sobreenfriamiento" es poco probable, en otros lugares podría tener impactos no deseados. Por lo tanto, los PDRC modulados pueden ser preferibles en ciudades con veranos cálidos e inviernos fríos para un enfriamiento controlado, mientras que los PDRC no modulados pueden ser más beneficiosos para ciudades con veranos cálidos e inviernos moderados. [9]
En un estudio sobre las marquesinas de autobuses urbanos , se descubrió que la mayoría de ellas no proporcionan confort térmico a los pasajeros , mientras que un árbol podría proporcionar 0,5 °C (0,90 °F) más de refrigeración. [90] Otros métodos para enfriar las marquesinas suelen implicar aire acondicionado u otras medidas de alto consumo energético. Las marquesinas urbanas con techo de PDRC pueden reducir significativamente las temperaturas sin ningún aporte de energía, mientras que añadir "una cubierta infrarroja media no recíproca" puede aumentar los beneficios al reducir la radiación atmosférica entrante y reflejar la radiación de los edificios circundantes. [90]
Para la refrigeración de espacios urbanos al aire libre, un estudio de 2021 recomendó que el PDRC en áreas urbanas se centre principalmente en aumentar el albedo siempre que la emisividad pueda mantenerse por encima del 90 %. [10]
Las superficies PDRC se pueden integrar con plantas de energía solar , lo que se conoce como enfriamiento radiativo por energía solar (SE-RC), para mejorar la funcionalidad y el rendimiento al evitar que las células solares se "sobrecalienten" y, por lo tanto, se degraden. Dado que las células solares de silicio tienen una eficiencia máxima del 33,7 % (el panel comercial promedio alcanza alrededor del 20 %), la mayor parte de la energía absorbida produce un exceso de calor y aumenta la temperatura de funcionamiento. [ 15] [76] La eficiencia de las células solares disminuye entre un 0,4 y un 0,5 % por cada 1 °C de aumento de temperatura. [15]
El PDRC puede prolongar la vida útil de las células solares al reducir la temperatura de funcionamiento del sistema. [76] La integración de PDRC en sistemas de energía solar también es relativamente sencilla, dado que "la mayoría de los sistemas de recolección de energía solar tienen un diseño estructural de placa plana orientada hacia el cielo, que es similar a los sistemas de enfriamiento radiativo". Se ha informado que la integración aumenta la ganancia de energía por unidad de área al tiempo que aumenta la fracción del día en que funciona la célula. [14]
Se han propuesto métodos para mejorar potencialmente el rendimiento de refrigeración. Un estudio de 2022 propuso utilizar una "estrategia de gestión sinérgica de espectro completo (FSSM) para enfriar las células solares, que combina el enfriamiento radiativo y la división espectral para mejorar la disipación del calor radiativo y reducir el calor residual generado por la absorción de fotones sub-BG". [94]
La gestión térmica personal (PTM) emplea PDRC en tejidos para regular la temperatura corporal durante el calor extremo. Si bien otros tejidos son útiles para la acumulación de calor, "pueden provocar golpes de calor en climas cálidos". [95] Un estudio de 2021 afirmó que "la incorporación de estructuras de enfriamiento radiativo pasivo en tecnologías de gestión térmica personal podría defender eficazmente a los humanos contra la intensificación del cambio climático global". [96]
Los PDRC portátiles pueden presentarse en diferentes formas y estar destinados a trabajadores al aire libre. Los productos se encuentran en la etapa de prototipo . [82] [97] Aunque la mayoría de los textiles son blancos, los materiales portátiles de colores en colores seleccionados pueden ser apropiados en algunos contextos. [15]
Los condensadores de las centrales eléctricas que se utilizan en las centrales termoeléctricas y las plantas solares concentradas (CSP) pueden enfriar el agua para un uso eficaz dentro del intercambiador de calor . Un estudio de un estanque cubierto con un enfriador radiativo informó que se podía lograr un flujo de 150 W m 2 sin pérdida de agua. [7] La PDRC puede reducir el uso de agua y la contaminación térmica causada por el enfriamiento del agua . [5]
Una revisión informó que complementar el condensador enfriado por aire con paneles de enfriamiento radiativo en un condensador de una planta de energía termoeléctrica logró un efecto de enfriamiento de 4096 kWhth/día con un consumo de energía de la bomba de 11 kWh/día. [7] Se informó que una planta solar concentrada (CSP) en el ciclo supercrítico de CO 2 a 550 °C produjo una ganancia de salida neta del 5 % sobre un sistema enfriado por aire mediante la integración con un enfriador radiativo de 14 m2/kWe de capacidad. " [7]
Además de la refrigeración, las superficies PDRC se pueden modificar para una regulación térmica bidireccional (refrigeración y calefacción). [9] Esto se puede lograr cambiando la emitancia térmica entre valores altos y bajos. [9] [15]
Cuando se combina con un generador termoeléctrico, una superficie PDRC puede generar pequeñas cantidades de electricidad. [15]
Los espacios cerrados térmicamente, incluidos los automóviles y los invernaderos , son particularmente susceptibles a aumentos de temperatura perjudiciales. Esto se debe a la gran presencia de ventanas, que son transparentes a la radiación solar entrante pero opacas a la radiación térmica de onda larga saliente, lo que hace que se calienten rápidamente al sol. Las temperaturas de los automóviles bajo la luz solar directa pueden aumentar hasta 60–82 °C cuando la temperatura ambiente es de solo 21 °C. [15]
Los rendimientos de la recolección de rocío se pueden mejorar mediante el uso de PDRC. Los emisores PDRC selectivos que tienen una alta emisividad y emisores de banda ancha pueden producir resultados variables. En un estudio que utilizó un PDRC de banda ancha, el dispositivo condensó ~8,5 mL/día de agua para 800 W m 2 de intensidad solar máxima. [15] Si bien los emisores selectivos pueden ser menos ventajosos en otros contextos, pueden ser superiores para aplicaciones de recolección de rocío. [48] Los PDRC podrían mejorar la recolección de agua atmosférica al combinarse con sistemas de generación de vapor solar para mejorar las tasas de recolección de agua. [49]
Las superficies de PDRC se pueden instalar sobre la superficie de una masa de agua para enfriarla. En un estudio controlado, se enfrió una masa de agua 10,6 °C por debajo de la temperatura ambiente con el uso de un radiador fotónico. [7] [ verificación fallida ]
Las superficies de PDRC se han desarrollado para enfriar el hielo y evitar que se derrita con la luz solar. Se ha propuesto como un método sostenible para la protección del hielo. Esto también se puede aplicar para proteger los alimentos refrigerados del deterioro. [98]
Jeremy Munday escribe que, aunque "es probable que se produzcan efectos inesperados", las estructuras PDRC "se pueden eliminar inmediatamente si es necesario, a diferencia de los métodos que implican la dispersión de material particulado en la atmósfera, que puede durar décadas". [99] La inyección de aerosol estratosférico "podría causar amenazas potencialmente peligrosas para las operaciones climáticas básicas de la Tierra" que pueden no ser reversibles, prefiriendo PDRC. [24] Zevenhoven et al. afirman que "en lugar de inyección de aerosol estratosférico (SAI), aclaramiento de nubes o una gran cantidad de espejos en el cielo ("geoingeniería de parasol") para bloquear o reflejar la irradiación solar entrante (onda corta, SW) , se puede emitir selectivamente radiación térmica de longitud de onda larga (LW) y transferirla a través de la atmósfera hacia el espacio". [3]
El "sobreenfriamiento" se cita como un efecto secundario de los PDRC que puede ser problemático, especialmente cuando los PDRC se aplican en áreas de alta población con veranos calurosos e inviernos fríos, característicos de las zonas templadas . [20] Si bien la aplicación de PDRC en estas áreas puede ser útil en verano, en invierno puede resultar en un aumento en el consumo de energía para calefacción y, por lo tanto, puede reducir los beneficios de los PDRC en ahorro de energía y emisiones. [9] [21] Según Chen et al., "para superar este problema, se han desarrollado recubrimientos conmutables dinámicamente para evitar el sobreenfriamiento en invierno o en entornos fríos". [20]
Los efectos nocivos del sobreenfriamiento se pueden reducir mediante la modulación de los PDRC, aprovechando sus capacidades de enfriamiento pasivo durante el verano y modificándolos para que calienten pasivamente durante el invierno. La modulación puede implicar "cambiar la emisividad o reflectancia a valores bajos durante el invierno y valores altos durante el período cálido". [9] En 2022, Khan et al. concluyeron que los PDRC "modulados ópticamente de bajo costo" están "en desarrollo" y "se espera que estén disponibles comercialmente en el mercado pronto con un alto potencial futuro para reducir el calor urbano en las ciudades sin provocar una penalización por sobreenfriamiento durante los períodos fríos". [9]
Existen varios métodos para hacer que los PDRC sean "conmutables" para mitigar el sobreenfriamiento. [20] La mayoría de las investigaciones han utilizado dióxido de vanadio (VO2), un compuesto inorgánico , para lograr efectos de enfriamiento y calentamiento "conmutables" basados en la temperatura. [20] [21] Si bien, como Khan et al., desarrollar VO2 es difícil, su revisión encontró que "la investigación reciente se ha centrado en simplificar y mejorar la expansión de técnicas para diferentes tipos de aplicaciones". [9] Chen et al. encontraron que "se ha dedicado mucho esfuerzo a los recubrimientos de VO2 en la conmutación del espectro infrarrojo medio , y solo unos pocos estudios han informado sobre la capacidad conmutable de los recubrimientos dependientes de la temperatura en el espectro solar". [20] La conmutación dependiente de la temperatura no requiere un aporte de energía adicional para lograr tanto el enfriamiento como el calentamiento. [20]
Otros métodos de "conmutación" de PDRC requieren un aporte de energía adicional para lograr los efectos deseados. Uno de estos métodos implica cambiar el entorno dieléctrico . Esto se puede hacer mediante "humectación reversible" y secado de la superficie de PDRC con líquidos comunes como agua y alcohol . Sin embargo, para que esto se implemente a gran escala, "el reciclaje y la utilización de líquidos de trabajo y la estanqueidad del circuito de circulación deben considerarse en aplicaciones realistas". [20]
Otro método implica la "conmutación" mediante fuerza mecánica, que puede ser útil y ha sido "ampliamente investigada en recubrimientos de polímeros [PDRC] debido a su capacidad de estiramiento". Para este método, "para lograr un recubrimiento conmutable en εLWIR , se puede aplicar tensión/deformación mecánica en una película delgada de PDMS, que consiste en una rejilla de PDMS y nanopartículas incrustadas ". Un estudio estimó, con el uso de este método, que "el 19,2% de la energía utilizada para calentar y enfriar se puede ahorrar en los EE. UU., lo que es 1,7 veces más alto que el modo de solo enfriamiento y 2,2 veces más alto que el modo de solo calentamiento", lo que puede inspirar investigación y desarrollo adicionales. [20]
El deslumbramiento causado por superficies con alta reflectancia solar puede presentar problemas de visibilidad que pueden limitar la aplicación de PDRC, particularmente en entornos urbanos a nivel del suelo. [30] Se han desarrollado PDRC que utilizan un "sistema de dispersión" para generar reflexión de una manera más difusa y son "más favorables en aplicaciones reales", según Lin et al. [100]
También se han desarrollado recubrimientos de pintura de color de PDRC de bajo costo, que reducen el deslumbramiento y aumentan la diversidad de colores de las superficies de PDRC. Si bien parte de la reflectancia solar de la superficie se pierde en el espectro de luz visible, los PDRC de color aún pueden exhibir un poder de enfriamiento significativo, como un recubrimiento de Zhai et al., que utilizó un recubrimiento de α - Bi2O3 ( similar al color del compuesto) para desarrollar una pintura no tóxica que demostró una reflectancia solar del 99% y una emisividad térmica del 97%. [30]
En general, se observa que existe una compensación entre el potencial de enfriamiento y las superficies de colores más oscuros. Los PDRC de colores menos reflectantes también se pueden aplicar a las paredes, mientras que los PDRC blancos más reflectantes se pueden aplicar a los techos para aumentar la diversidad visual de las superficies verticales y, al mismo tiempo, contribuir al enfriamiento. [31]
El enfriamiento radiativo pasivo nocturno se reconoce desde hace miles de años, y existen registros que demuestran que los antiguos iraníes lo conocían , como lo demuestra la construcción de Yakhchāls , desde el año 400 a. C. [102]
Félix Trombe formuló la hipótesis del PDRC en 1967. El primer experimento se creó en 1975, pero sólo tuvo éxito en el enfriamiento nocturno. Los desarrollos posteriores para lograr el enfriamiento diurno utilizando composiciones de materiales diferentes no tuvieron éxito. [7]
En la década de 1980, Lushiku y Granqvist identificaron la ventana infrarroja como una forma potencial de acceder al espacio exterior ultrafrío para lograr un enfriamiento pasivo durante el día. [3]
Los primeros intentos de desarrollar materiales pasivos de enfriamiento radiativo durante el día se inspiraron en la naturaleza, en particular en la hormiga plateada del Sahara y los escarabajos blancos, observando cómo se refrescaban en condiciones de calor extremo. [15] [33]
La investigación y el desarrollo en PDRC evolucionaron rápidamente en la década de 2010 con el descubrimiento de la capacidad de suprimir el calentamiento solar utilizando metamateriales fotónicos, lo que expandió ampliamente la investigación y el desarrollo en el campo. [15] [33]
En 2024, Nissan presentó una pintura que reduce la temperatura interior del automóvil hasta 21 °F bajo la luz solar directa. Se trata de dos tipos de partículas, cada una de las cuales opera a una frecuencia diferente. Una refleja la luz infrarroja cercana. La segunda convierte otras frecuencias para que coincidan con la ventana infrarroja, irradiando la energía al espacio. [103]
El enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) disipa el calor terrestre al espacio exterior extremadamente frío sin utilizar ningún aporte de energía ni producir contaminación. Tiene el potencial de aliviar simultáneamente los dos principales problemas de la crisis energética y el calentamiento global.
En consecuencia, es muy deseable diseñar y fabricar PDRC eficiente con una reflectancia solar suficientemente alta (𝜌¯solar) (λ ~ 0,3–2,5 μm) para minimizar la ganancia de calor solar y, al mismo tiempo, una fuerte emitancia térmica LWIR (ε¯LWIR) para maximizar la pérdida de calor radiativo. Cuando el calor radiativo entrante del Sol se equilibra con la emisión de calor radiativo saliente, la temperatura de la Tierra puede alcanzar su estado estable.
Un tercer enfoque de geoingeniería alternativo sería el enfriamiento mejorado por radiación térmica desde la superficie de la Tierra hacia el espacio". [...] "Con 100 W m
2
como efecto de enfriamiento pasivo demostrado, se necesitaría una cobertura de superficie del 0,3%, o el 1% de la superficie de la masa terrestre de la Tierra. Si la mitad se instalara en áreas urbanas construidas, que cubren aproximadamente el 3% de la masa terrestre del planeta, se necesitaría una cobertura del 17% allí, y el resto se instalaría en áreas rurales.
El enfriamiento radiativo pasivo utiliza una ventana de transparencia atmosférica (8–13 μm) para descargar calor al espacio exterior e inhibe la absorción solar.
Al cubrir la Tierra con una pequeña fracción de materiales que emiten calor, se puede aumentar el flujo de calor que se aleja de la Tierra y se puede reducir el flujo radiativo neto a cero (o incluso hacerlo negativo), estabilizando así (o enfriando) la Tierra.
...terrestrial radiative cooling has emerged as a promising solution for mitigating urban heat islands and for potentially fighting against global warming if it can be implemented at a large scale.
If only 1%–2% of the Earth's surface were instead made to radiate at this rate rather than its current average value, the total heat fluxes into and away from the entire Earth would be balanced and warming would cease.
Passive Radiative Cooling is a natural phenomenon that only occurs at night in nature because all nature materials absorb more solar energy during the day than they are able to radiate to the sky.
Accordingly, designing and fabricating efficient PDRC with sufficiently high solar reflectance (𝜌¯solar) (λ ~ 0.3–2.5 μm) to minimize solar heat gain and simultaneously strong LWIR thermal emittance (ε¯LWIR) to maximize radiative heat loss is highly desirable. When the incoming radiative heat from the Sun is balanced by the outgoing radiative heat emission, the temperature of the Earth can reach its steady state.
Radiative cooling does not consume external energy but rather harvests coldness from outer space as a new renewable energy source.
Daytime radiative cooling has attracted considerable attention recently due to its tremendous potential for passively exploiting the coldness of the universe as clean and renewable energy.
In the last three years, however, publications on radiative cooling and solar control have been the most numerous and hence are promising technologies in the field.
Passive radiative cooling is of great significance for energy-saving and global carbon neutrality because of its zero energy consumption, no pollution, and low cost.
One such promising alternative is radiative cooling, which is a ubiquitous process of losing surface heat through thermal radiation. Instead of releasing waste heat into ambient air as conventional cooling systems, radiative cooling passively discharges it into outer space.
Although uptake may increase autonomously in the future, relying on air conditioning to deal with the risk is a potentially maladaptive solution, and it expels waste heat into the environment – thereby enhancing the urban heat island effect.