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El futuro de la industria a nivel atómico

Investigaciones en nanotecnología brindan al sector una gama importante de soluciones mejoradas

Las investigaciones de la nanotecnología brindan al sector una gama importante de soluciones mejoradas, donde se cuentan materiales aislantes, sistemas de filtración o refrigerantes. Con ello, la industria se suma a los sectores productivos que ya aprovechan los descubrimientos del estudio y la manipulación de la materia a escala nanométrica

Eréndira Reyes

La nanotecnología se ha definido como un campo de oportunidades en el que varias disciplinas se conjuntan. Física, biología, química, ingeniería y hasta ciencias sociales tienen un punto de encuentro en esta novedosa área, la cual tiene como objetivo entender, manipular y explotar las características de la materia a una escala más allá de la microscópica: la nanoescala.

Las innovaciones tecnológicas que ha tenido, buscan no sólo generar una solución a un problema científico, sino que consideran el impacto social y ambiental que éstas podrían aportar, según la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Algunos científicos, como los de la Universidad Politécnica de Madrid, en España, afirman que esta tecnología podría ser el detonante de una nueva revolución industrial, ya que el panorama que se vislumbra es muy fértil. Actualmente, los investigadores buscan crear nuevos materiales y dispositivos, a partir de átomos y moléculas, lo que hace posible que se cubra un amplio espectro de aplicaciones.

Catalizadores, recubrimientos, pinturas y otras tecnologías más especializadas cuentan ya con aplicaciones hechas a partir de nanopartículas. Biosensores, microprocesadores y algunos materiales desarrollados para la industria aeroespacial son aplicaciones que se usan con frecuencia y que han tenido su origen en esta misma disciplina. Sin embargo, las posibilidades podrían ir más allá.

La National Nanotechnology Infraestructure Network, de Estados Unidos, espera que para 2020 el valor de mercado de los productos con nanotecnología sea de un billón de dólares o, por lo menos, que esta facultad de ingeniería representará 5 por ciento del producto interno bruto (PIB) de ese país.

¿De qué forma aporta esta disciplina al sector refrigeración? Según un cuestionario realizado en 2014 por la Agencia de Innovación y Desarrollo de Andalucía (IDEA), en conjunto con la Asociación de Fabricantes Andaluces de Refrigeración (AFAR), las aportaciones de esta disciplina son destacables, principalmente para aislantes, materiales refractarios, materiales conductores, refrigerantes, recubrimientos, filtros, ciclos, sensorización y en la sustitución de materiales metálicos.

Los resultados que obtuvo esta iniciativa, no sólo desglosan el potencial de acción de la nanotecnología, sino que indican el conocimiento que tienen sobre el tema los fabricantes de este sector en la región española. En la Tabla I se destaca la categoría y el crecimiento esperado por la AFAR respecto a estas tecnologías.Conductividad térmica

Nuevas tecnologías

La nanotecnología ha logrado ofrecer varias líneas de investigación para los científicos. En el caso preciso del sector de refrigeración se han desarrollado distintas tecnologías; una de ellas son los aerogeles, materiales nanoporosos que sirven como aislantes. Su fabricación es resultado de un proceso de secado durante el cual se somete al producto a condiciones críticas que resultan en partículas de xerogel.

Según investigaciones de los ingenieros Buratti y Moretti, publicadas en 2011 en Nearly zero energy building refurbishment, las propiedades de estos materiales son variadas, pues cuentan con una gran resistencia térmica y son flexibles en su uso. Los investigadores clasificaron estas tecnologías en varios segmentos:

  • Monolíticos: se trata de bloques homógeneos, con baja conductividad térmica y con buenas propiedades ópticas. Son ideales para aislar espacios que requieran luz natural, pues son transparentes. Sin embargo, aún falta desarrollar grandes paneles, ya que el tamaño de los bloques que se han desarrollado es muy pequeño
  • Materiales divididos: son aislantes que contienen pequeños gránulos tipo perla, que presentan una conductividad térmica eficaz, en la que la conductividad del conjunto de perlas disminuye la fracción de volumen de aire
  • Materiales compuestos: son una mezcla de aerogeles con otros aditivos, como fibras, los cuales buscan mejorar las propiedades mecánicas de los aerogeles y brindarles mayor resistencia. Este tipo de compuestos aún tiene problemas en su desarrollo, pues el polvo que sueltan puede ser perjudicial para la salud
  • Híbridos y orgánicos: son aislantes nanoestructurados con propiedades aislantes parecidos a las nanoespumas. Éstos buscan combinar los tres anteriores, sin embargo, todavía no han logrado conseguir un producto idóneo que se pueda comercializar
Ariadna Sánchez

“Los materiales que se pueden desarrollar gracias a la nanotecnología sin infinitos. El desarrollo de aislantes térmicos y de otras tecnologías aún no se ha explorado por completo”: Ariadna Sánchez

Según la doctora Ariadna Sánchez, coordinadora de la Licenciatura en Ingeniería Nanotecnología de la Escuela Superior de Apán (ESAp) “los materiales que se pueden desarrollar, gracias a la nanotecnología, son infinitos, pues se trata de insertar y estudiar partículas diminutas, por lo que el desarrollo de aislantes térmicos y de otras tecnologías aún no se ha explorado por completo”. Indica que el terreno es fértil y que se requiere de investigación en el tema, pues aún falta mucho por hacer, sobre todo en México, donde se cuenta con un gran capital humano.

Las ventajas que tiene este tipo de alternativas, son, de igual manera, diversas, pues se podrían disminuir las dimensiones de las capas aislantes y, al aislar, se disminuye el consumo de energía.

Además de los aislantes, la nanotecnología ha desarrollado productos antiescarcha, esto, por la necesidad de contar con soluciones para cuando los sistemas dejan de funcionar por cuestiones climáticas severas, producto de la acumulación de nieve o hielo en zonas impropias y que repercute en el funcionamiento del sistema.

Uno de los métodos más comunes para evitar este fenómeno es el uso de productos químicos, como depresores del punto de congelación, éstos no pueden ser siempre utilizados, sobre todo en el caso de los intercambiadores de calor con aletas, donde la aparición de escarcha constituye un severo problema.

Otra solución que hay es recubrir la zona que normalmente se llena de hielo con algún material aislante, en este sentido la nanotecnología ha desarrollado superficies hidrófobas, las cuales aumentan la energía superficial del elemento sólido y funcionan como un recubrimiento. Este tipo de material ya se ha desarrollado y comercializado, sin embargo, aún falta más investigación sobre el llamado “Efecto flor de loto” que tiene y sobre las posibilidades de integrarlo a más equipos.

En el estudio que llevó a cabo la AFAR, se sometieron a algunos materiales a pruebas de conductividad, en especial en los materiales denominados “covetic”, que son metales en los que se han dispersado pequeñas cantidades de nanopartículas de carbono. El enlace entre el metal y nanopartícula resulta ser particularmente fuerte, pues no responde exactamente a ninguno de los enlaces que se han visto en este tipo de materiales, sino a una especie de híbrido, cuya naturaleza es actualmente objeto de estudio.

El material se obtiene mediante un innovador proceso que permite añadir cantidades de carbono inusualmente altas, “de hasta seis por ciento en peso de carbón al metal, lo que está por encima del límite termodinámico de estabilidad en el diagrama de fases convencional del metal en cuestión”, esto según el Maryland Nanocenter. El mismo centro indica que las nanopartículas actúan como agentes conductores, aumentando la transferencia térmica del material en cuestión.

Los resultados que ha brindado, en comparación con otros materiales, se pueden consultar en la Tabla II.

Conductividad térmicaLa convección es una de las tres formas de transferir calor, sobre este proceso también la nanotecnología ha aportado avances con el desarrollo de nanofluidos. Aunque las investigaciones son escasas, se sabe que el uso de recubrimientos nanoporosos sobre láminas de cobre, latón y aluminio, para aumentar la capacidad de transferencia de calor mediante la convección, ha tenido resultados favorables, pues en el caso del latón se incrementa hasta 180 por ciento la conductividad, en comparación con otros materiales, esto según un estudio realizado por la Universidad de Singapur en 2013. Además de ver estos efectos por el proceso de convección, se hizo una investigación sobre transferencia de calor por radiación en la que se evaluó el desempeño térmico y estético de los elementos nanoporosos.

Este tipo de tecnologías podrían reducir el tamaño de los equipos que se comercializan, además de que no sólo se ha estudiado la transferencia de calor que tienen, sino también los procesos para unir piezas. Actualmente se estudia un método sobre soldadura en calor y en frío, el cual podría hacer más eficiente la manufactura de equipos”: Ariadna Sánchez

Refrigeración y nanotecnología

Los aportes que ha conseguido la nanotecnología en la actualidad han sido posibles gracias a la misma refrigeración, pues muchas de las líneas de investigación, como es el caso de refrigeración de elementos biológicos, no hubieran sido posibles sin el apoyo de equipos de criogenia o de temperatura controlada.

“Estudiar a los organismos vivos no es sencillo, sobre todo si requieres muestras donde se tienen que utilizar microscopios o elementos auxiliares, como el oro. Un ejemplo sucede al estudiar a una hormiga, a la cual normalmente se le congela y se le aplica una base de oro para poder ser examinada en microscopios. Al realizar este proceso se degrada la propia hormiga y ya no es posible restaurar sus características físicas. Actualmente ya hay equipos criogénicos que permiten reducir la temperatura de las muestras sin afectarlas, lo que ha hecho más sencilla su investigación”, comenta la investigadora de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.

También el uso de sistemas de ventilación, filtros, equipos de aire acondicionado, sensores y sistemas de automatización son indispensables en la fabricación y producción de superconductores, nanochips y muchos otros equipos que utilizan partículas nano, pues todas estas tecnologías requieren de ambientes inocuos, en el que se eliminen partículas que puedan afectar el funcionamiento de los productos de manufacturan.

Por lo tanto, el panorama es fértil y las investigaciones que se realizan en el país buscan ofrecer soluciones para distintas industrias, incluido el sector de la refrigeración y la climatización.

Refrigerantes novedosos

Los nanofluidos son suspensiones de nanopartículas, que tienen como objetivo mejorar las propiedades del fluido base con la mínima adición de nanopartículas, esto según una clasificación hecha por Taylor & Francis en el International Journal of Smart and Nano Materials, en 2013.

En el mismo artículo se clasifican dos formas para la obtención de estos nanofluidos:

  • Por simple mezcla de nanopolvo en un líquido
  • Mediante un síntesis directa

Las aplicaciones de los nanofluidos han mostrado ser muy diversas. Así, se ha estudiado su aplicación a los ámbitos más diversos, incluidas la biomedicina, las reacciones catalíticas, mejora la transferencia de calor, energía lumínica, etcétera. Actualmente, más de 70 por ciento de la energía que se produce se hace en forma de calor. En muchos sistemas industriales el calor debe, bien transferirse desde la fuente de energía hasta el sistema, o bien, eliminarse del propio sistema. En consecuencia, la optimización de los procesos de transferencia de calor y la reducción de pérdidas energéticas se vuelven tareas más importantes.

En los últimos años se ha evaluado la aplicación de nanofluidos en distintos ámbitos, destacando su potencial aplicación en la refrigeración de motores, el calentamiento de agua mediante energía solar, refrigeración de dispositivos electrónicos, enfriamiento del aceite de transformadores, mejora de la eficiencia de generadores diesel, la refrigeración de los dispositivos de intercambio de calor, mejora de la eficiencia de transferencia de calor de los refrigeradores, así como en refrigeradores, congeladores domésticos, refrigeración por sistema mecanizado, incluso, en reactores nucleares.

Sin embargo, los principales factores que dificultan la comercialización de los nanofluidos son el desconocimiento de los mecanismos para mejorar la transferencia de calor de este tipo de fluidos y el alto costo de producción que aún implica.

A pesar de ello, el estudio hecho por la AFAR, en 2014, indicó que el mercado potencial de los nanofluidos para aplicaciones de transferencia de calor se estimó en más de 2 mil millones de dólares en 2007, con perspectivas de un mayor crecimiento en los siguientes años, lo cual podría replicarse en la siguiente década.

Este mismo estudio hizo una revisión de lo que el uso de nanopartículas en sistemas de refrigeración podría implicar en su rendimiento y observó que, en el caso de mezclas como el R134a, se puede mejorar la transferencia de calor hasta 79 por ciento.

En este sentido, además del uso de nanopartículas para mejorar las propiedades térmicas de los refrigerantes, se han realizado investigaciones para mejorar la eficiencia y la fiabilidad de los sistemas de refrigeración. Así, en el caso de refrigeradores domésticos que utilizan como refrigerante R134a con mezcla de aceite mineral y nanopartículas, se destaca un funcionamiento normal y eficiente con una reducción en el consumo de energía de hasta 25 por ciento.

Además de este tipo de propiedades que han logrado investigar, algunas líneas de análisis que se están desarrollando en México indican que el uso de nanocompuestos que usan materiales magnetocalóricos podrían revolucionar la industria de la refrigeración.

Lee el artículo completo en la revista Mundo HVAC&R de abril 2016

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