En el estudio de la transferencia de calor , el enfriamiento radiativo [1] [2] es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica . Como describe la ley de Planck , todo cuerpo físico emite de forma espontánea y continua radiación electromagnética .
El enfriamiento radiativo se ha aplicado en diversos contextos a lo largo de la historia de la humanidad, incluida la fabricación de hielo en India e Irán , [3] escudos térmicos para naves espaciales, [4] y en arquitectura. [5] 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 conocidas como enfriamiento radiativo diurno pasivo . [8]
La radiación infrarroja puede atravesar aire seco y claro en el rango de longitud de onda de 8 a 13 µm. Los materiales que pueden absorber energía e irradiarla en esas longitudes de onda exhiben 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 enfriarse incluso bajo la luz solar directa. [9]
El sistema Tierra-atmósfera se enfría radiativamente, emitiendo radiación de onda larga ( infrarroja ) que equilibra la absorción de energía de onda corta (luz visible) del sol.
El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente son importantes para eliminar el calor de la superficie y distribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más importante en las zonas más altas de la atmósfera. Las variaciones diurnas y geográficas complican aún más el panorama.
La circulación a gran escala de la atmósfera terrestre está impulsada 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 en forma de 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. Así, los trópicos irradian menos al espacio de lo que lo harían si no hubiera circulación, y los polos irradian más; sin embargo, en términos absolutos los trópicos irradian más energía al espacio.
El enfriamiento radiativo se experimenta comúnmente en noches sin nubes, cuando se irradia calor al espacio exterior desde la superficie de la Tierra o desde la piel de un observador humano. El efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados .
El efecto se puede experimentar comparando la temperatura de la piel al mirar directamente hacia un cielo nocturno sin nubes durante varios segundos, con la temperatura después de colocar una hoja de papel entre la cara y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia a aproximadamente una temperatura de 3 K (-270,15 °C ; -454,27 °F ), y la hoja de papel irradia a aproximadamente 300 K (27 °C; 80 °F) (alrededor de la temperatura ambiente ), la hoja de papel irradia más calor a la cara que el cosmos oscurecido. El efecto se ve atenuado por la atmósfera que rodea la Tierra, y particularmente por el vapor de agua que contiene, por lo que la temperatura aparente del cielo es mucho más cálida que la del espacio exterior. La sábana no bloquea el frío, sino que refleja el calor al rostro e irradia el calor del rostro que acaba de absorber.
El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede provocar que se forme escarcha o hielo negro en las superficies expuestas al cielo nocturno despejado, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.
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 fue utilizado por primera vez por Kelvin para estimar la edad de la Tierra (aunque su estimación ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración de radioisótopos, no conocido). en ese momento, y los efectos de la convección en el manto).
El enfriamiento radiativo es una de las pocas formas en que un objeto en el espacio puede emitir energía. En particular, las estrellas enanas blancas ya no generan energía por fusión o contracción gravitacional y no tienen viento solar. Entonces, la única forma en que cambia su temperatura es mediante enfriamiento radiativo. Esto hace que su temperatura en función de la edad sea muy predecible, por lo que, al observar la temperatura, los astrónomos pueden deducir la edad de la estrella. [10] [11]
La aplicación generalizada de tecnologías de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) que utilizan la ventana infrarroja (8–13 µm) para disipar el calor a través de la transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) con el espacio exterior , [12] se ha propuesto como un método de reducir los aumentos de temperatura provocados por el cambio climático . Se ha propuesto que la instalación de tecnologías pasivas de emisión de calor radiativo es necesaria para reducir la temperatura de la Tierra a un ritmo suficientemente rápido para la supervivencia humana . [13] Munday resumió la implementación global de tales tecnologías:
Actualmente, la Tierra absorbe ~1 W/m 2 más de lo que emite, lo que conduce a un calentamiento general del clima. Al cubrir la Tierra con una pequeña fracción de materiales emisores de calor, se puede aumentar el flujo de calor que sale de la Tierra y el flujo radiativo neto puede reducirse a cero (o incluso hacerse negativo), estabilizando (o enfriando) así la Tierra ( ...) Si solo se hiciera que entre el 1% y el 2% de la superficie de la Tierra irradiara a esta velocidad en lugar de su valor promedio actual, los flujos de calor totales hacia y desde toda la Tierra se equilibrarían y el calentamiento cesaría. [13]
Los PDRC imitan el proceso natural de enfriamiento radiativo, en el que la Tierra se enfría liberando calor al espacio exterior ( presupuesto energético de la Tierra ), aunque durante el día, reduciendo la temperatura ambiente bajo la intensidad solar directa. [14] En un día despejado, la irradiancia solar puede alcanzar los 1000 W/m 2 con un componente difuso de entre 50 y 100 W/m 2 . El PDRC promedio tiene una potencia de enfriamiento estimada de ~100-150 W/m 2 . [15] La potencia de refrigeración de los PDRC es proporcional a la superficie expuesta de la instalación. [dieciséis]
Los tejados frescos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisión de infrarrojos , reduciendo así simultáneamente la ganancia de calor del sol y aumentando la eliminación de calor a través de la radiación. Por tanto, la refrigeración radiativa ofrece potencial para la refrigeración pasiva de edificios residenciales y comerciales. [5] Las superficies de construcción tradicionales, como los revestimientos de pintura, el ladrillo y el hormigón, tienen elevadas emisiones de hasta 0,96. [17] Irradian calor hacia el cielo para enfriar pasivamente los edificios durante la noche. Si se fabrican lo suficientemente reflectantes para la luz solar, estos materiales también pueden lograr un enfriamiento radiativo durante el día.
Los enfriadores radiativos más comunes que se encuentran en los edificios son los revestimientos de pintura blanca para techos fríos, que tienen reflectancias solares de hasta 0,94 y emisiones térmicas de hasta 0,96. [18] La reflectancia solar de las pinturas surge de la dispersión óptica de los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina de pintura polimérica, mientras que la emitancia térmica surge de la resina polimérica. Sin embargo, debido a 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 dichos pigmentos no superan 0,95.
En 2014, los investigadores desarrollaron el primer enfriador radiativo diurno utilizando una estructura fotónica térmica multicapa que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga al espacio y puede lograr un enfriamiento subambiente de 5 °C bajo la luz solar directa. [19] Investigadores posteriores desarrollaron recubrimientos poliméricos porosos que se pueden pintar, cuyos poros dispersan la luz solar para dar una reflectancia solar de 0,96-0,99 y una emitancia térmica de 0,97. [20] En experimentos bajo luz solar directa, los recubrimientos alcanzaron temperaturas subambientes de 6 °C y potencias de enfriamiento de 96 W/m 2 .
Otras estrategias de enfriamiento radiativo notables incluyen películas dieléctricas sobre espejos metálicos [21] y polímeros o compuestos poliméricos sobre películas de plata o aluminio. [22] En 2015 se informaron películas de polímero plateado con reflectancia solar de 0,97 y emitancia térmica de 0,96, que permanecen 11 °C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de mediados de verano. [23] Los investigadores exploraron diseños con dióxido de silicio dieléctrico o Partículas de carburo de silicio incrustadas en polímeros que son translúcidas en las longitudes de onda solares y emisivas en el infrarrojo. [24] [25] En 2017, se informó sobre un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice polar resonantes incrustadas aleatoriamente en una matriz polimérica. [26] 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 recubrió con un revestimiento de plata, el material logró un poder de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W/m 2 bajo la luz solar directa junto con una fabricación rollo a rollo económica y de alto rendimiento.
Los revestimientos de alta emisividad que facilitan el enfriamiento radiativo se pueden utilizar en sistemas de protección térmica reutilizables (RTPS) en naves espaciales y aviones hipersónicos . En tales escudos térmicos se aplica un material de alta emisividad, tal como disiliciuro de molibdeno (MoSi 2 ), sobre un sustrato cerámico térmicamente aislante. [4] En tales 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 bajas (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.
El telescopio espacial James Webb utiliza enfriamiento radiativo 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 se mantiene permanentemente en la sombra gracias al parasol, se enfría posteriormente mediante radiación.
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 costados estaban aislados con una gruesa capa de heno. En una noche clara el agua perdería 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. [27] [28] [3]
En Irán, esto implicó hacer grandes piscinas de hielo planas , que consistían en una piscina reflectante de agua construida sobre un lecho de material altamente aislante rodeado de paredes altas. Las paredes altas proporcionaban protección contra el calentamiento por convección, el material aislante de las paredes de la piscina protegería contra el calentamiento conductivo del suelo, la gran superficie plana de agua permitiría que tuviera lugar el enfriamiento por evaporación y radiación.
El enfriamiento radiativo pasivo utiliza una ventana de transparencia atmosférica (8–13 µm) para descargar calor al espacio exterior e inhibe la absorción solar.