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Física

Frío por un hilo

Un sistema de refrigeración basado en la torsión y destorcedura de fibras reduce hasta 7 °C la temperatura del agua

La torsión y destorcedura de fibras de caucho, sedales de pesca o alambres de una aleación de níquel y titanio puede alterar la temperatura del material hasta en 20 ºC. Al enrollarlos sobre sí mismos, los filamentos se calientan. A continuación, entran en equilibrio térmico con el ambiente y pierden algunos grados. Finalmente, al desenrollarlos, se enfrían en la misma medida que se habían calentado. Según el material que se emplee, la cantidad de fibras utilizadas y el nivel de torsión y destorcedura ejercido, las oscilaciones térmicas pueden ser mayores o menores. Cuanto mayor sea la torsión, más se calientan los hilos y, por ende, más se enfrían al realizar el proceso inverso. Un artículo publicado el 11 de octubre en la revista Science, además de dar cuenta de este efecto, hasta ahora desconocido, indica que parte del frío generado por ese tipo de manipulación de hilos o cables puede transferirse al ambiente y convertirse en una alternativa que podría emplearse en sistemas de refrigeración, tales como heladeras y aparatos de aire acondicionado.

Un experimento del cual se informa en el estudio, llevado a cabo por científicos de Estados Unidos, China y Brasil, revela que la temperatura de un circuito de agua disminuyó entre 4,7 y 7,7 ºC al pasar por un dispositivo refrigerado por el movimiento de destorcedura de tres fibras retorcidas de níquel y titanio de 0,7 milímetros (mm) de diámetro. “A ese efecto lo denominamos refrigeración calórica por torsión”, afirma en un comunicado a la prensa el físico Ray Baughman, director del Instituto NanoTech de la Universidad de Texas en Dallas, Estados Unidos, coordinador del equipo que realizó el estudio. El grupo liderado por Baughman ha testeado la torsión de hilos e incluso de nanotubos de carbono en experimentos con diversas finalidades, tales como la producción de energía o la fabricación de músculos artificiales.

Esta nueva forma de promover la refrigeración constituye una variante de un fenómeno que se conoce desde hace 200 años y que se denomina efecto elastocalórico. “Desde 1805, se sabe que al estirar el caucho este aumenta rápidamente su temperatura”, explica Douglas Galvão, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), coautor del trabajo. Se trata de una propiedad muy simple de entenderse: estirar una fibra la torna más caliente; al soltarla, para que vuelva a su formato original, su temperatura se reduce en la misma proporción en que había aumentado. “El descubrimiento de que la torsión hacer que la temperatura de esta estructura varíe en forma significativa tiene aplicaciones tecnológicas potenciales”, comenta Galvão.

La variación de temperatura se produce porque al ejercer una deformación mecánica sobre un hilo (su estiramiento o torsión) disminuye la entropía, una dimensión termomecánica que mide el desorden de las partículas de un sistema físico. Esta alteración hace que el material le ceda calor al ambiente. Cuando se la libera a esa fibra, el efecto se revierte y la temperatura disminuye. En el estudio, efectuado recurriendo a análisis de cristalografía por rayos X, los científicos notaron ese reordenamiento molecular en el interior de las fibras retorcidas y destorcidas cuando ellas se calentaban y enfriaban. Y también constataron que al retorcer o destorcer hilos se altera su temperatura con el doble de la eficiencia que estirando y soltando un mismo material. En algunos experimentos, se utilizaron pinturas que cambian de color en función de las variaciones de temperatura para pintar los hilos, un recurso que permitió observar los cambios térmicos.

El efecto de la disminución de la temperatura se obtuvo en experimentos con fibras de caucho, sedales de pesca e hilos de níquel y titanio

El enfriamiento por torsión ofrece incluso otra ventaja práctica en comparación con el estiramiento del hilo: un elástico enrollado requiere un espacio menor que uno estirado. “La construcción de un refrigerador basada en el efecto elastocalórico clásico sería inviable”, explica el físico Alexandre Fontes da Fonseca, también del IFGW, otro coautor del estudio. Para producir frío en cantidad suficiente, el aparato debería tener un tamaño seis o siete veces mayor que el largo original de sus fibras de caucho. Ese espacio extra se utilizaría para estirar y soltar los hilos. Una forma de resolver ese problema sería la utilización de materiales a escala nanométrica, que no requerirían demasiado espacio para su estiramiento en los aparatos de refrigeración. Algunos estudios indican que esa sería una posibilidad. Otra manera sería valerse del enfriamiento calórico por torsión de hilos macroscópicos. “Al descubrirse que la torsión de las fibras produce el mismo efecto térmico que su estiramiento, la idea de utilizar materiales sólidos en lugar de gases para los sistemas de refrigeración puede convertirse en algo viable”, dice Fontes da Fonseca.

Las heladeras actuales enfrían su compartimiento interno mediante compresión de vapor. Este proceso es eficiente, pero genera un costo ambiental. Hasta hace algunos años, los gases que se utilizaban para esa finalidad eran los clorofluorocarburos (CFC), que destruyen la capa de ozono de la atmósfera, que tiene por objeto proteger al planeta de la radiación ultravioleta proveniente del Sol. Luego de la prohibición del uso de esos compuestos en muchos países, incluso en Brasil, se comenzaron a utilizar los hidrofluorocarburos (HFC) en los refrigeradores y en los sistemas de aire acondicionado. Si bien no dañan la capa de ozono, los HFCs contribuyen al aumento del efecto invernadero, el calentamiento anormal de la temperatura de la atmósfera terrestre.

Este panorama estimula la búsqueda de alternativas al uso de gases para refrigeración como objeto de nuevas investigaciones. Entre ellas, despuntan aquellas que promueven cambios en la corriente eléctrica, en el campo magnético o en el movimiento mecánico de materiales sólidos (tales como el estiramiento y la torsión de fibras) para disminuir la temperatura en sistemas cerrados, como en el caso de un refrigerador.

Para que pueda ser factible a escala comercial, un método alternativo de refrigeración debe ser barato y eficiente al optimizar los intercambios de calor entre el material que produce el frío –la fibra de caucho o el sedal de pesca en el caso del nuevo experimento– y el ambiente que se desea modelar térmicamente, tal como es el caso del aire en el interior de un heladera o, en un aparato climatizador. EsTe es el reto que los dispositivos actuales, enfriados por gases, superan sin problemas si no fuese por el impacto que generan sus vapores sobre el clima del planeta. “La eficiencia del uso de la torsión o del estiramiento de fibras en sistemas para generar frío aún no es tan buena como la de una heladera común, pero es mejor a la que se obtiene con otros métodos de refrigeración descritos en la literatura científica”, dice Fontes da Fonseca.

Proyecto
Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales – CECC (nº 13/08293-7); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Munir Salomão Skaf (Unicamp); Inversión R$ 24.519. 718, 86 (para la totalidad del proyecto).

Artículo científico
WANG, R. et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers. Science. 11 oct. 2019.

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