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Panorama MATER IALES

Refrigeración respetuosa con el ambiente Los sólidos magnetocalóricos y barocalóricos ofrecen una buena alternativa a los clásicos fluidos refrigerantes de efecto invernadero n la actualidad se nos hace difícil concebir una sociedad carente de sistemas eficaces de refrigeración. La vida cotidiana depende en gran medida de la posibilidad de conseguir temperaturas que estén por debajo de las ambientales. Sin embargo, procesos que hoy nos parecen naturales, como la conservación de alimentos en frigoríficos, resultaban impensables no hace tanto tiempo, ya que hasta principios del siglo ĎĎ no se desarrollaron los primeros frigoríficos domésticos. El funcionamiento de la mayoría de los refrigeradores se basa en procesos cíclicos de compresión y expansión de un fluido que conllevan un intercambio de calor. Mediante un dispositivo de intercambiadores térmicos, el calor se absorbe del frigorífico (con el consiguiente descenso de la temperatura) y se cede luego a la atmósfera. El segundo principio de la termodinámica dicta que esta transferencia de calor no puede realizarse a coste cero, sino que precisa el consumo de cierta cantidad de energía. Durante muchos años, los fluidos refrigerantes utilizados fueron clorofluorocarbonos (CFC). Sin embargo, se descubrió que, a pesar de ser químicamente inertes y no tóxicos, una vez en la estratosfera, resultaban nocivos para la capa de ozono. A raíz del protocolo de Montreal se restringió su uso.

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Como sustitutivos de los CFC empezaron a emplearse hidrofluorocarbonos (HFC). Estos, si bien no afectan a la capa de ozono, al presentar una gran capacidad de absorción de radiación de larga longitud de onda, contribuyen de forma notable al efecto invernadero. A pesar de que los HFC representan un pequeño porcentaje de los gases emitidos de efecto invernadero, su acumulación puede ser importante para el cambio climático, puesto que su impacto es mucho mayor que el del dióxido de carbono. El protocolo de Kyoto ha incentivado el desarrollo de sistemas de refrigeración que puedan sustituir a los actuales, basados en fluidos no respetuosos con el medio. Efecto magnetocalórico Una de las alternativas más prometedoras parece hallarse en la utilización de sólidos. El mayor esfuerzo se ha invertido en el desarrollo de materiales que presentan efecto magnetocalórico, que no es más que la respuesta térmica resultante de cambios de imanación (cambios adiabáticos de temperatura o cambios isotermos de entropía, resultantes de la aplicación de un campo magnético). Este efecto, conocido ya desde finales del siglo ĎÿĎ, se ha utilizado para la obtención de temperaturas muy bajas. La posibilidad de emplearlo para la refrigeración alrededor de

Los materiales que a temperatura a ambiente presentan respuestas térmicas ante la aplicación de un campo magnético (magnetocalóricos) o de una presión (barocalóricos) abren nuevas vías para el desarrollo de refrigerantes «verdes». Este es el caso de esta aleación de níquel, manganeso e indio (Ni-Mn-In): las posiciones en azul están ocupadas por átomos de níquel; las verdes, de manganeso; y las anaranjadas, por átomos de indio y de manganeso. A temperaturas elevadas, el compuesto adopta una estructura cúbica ordenada (a). Conforme desciende la temperatura, se produce una transición de fase reversible hacia una estructura monoclínica modulada (b), que comporta una variación de la imanación (asociada al momento magnético de los átomos de manganeso), el volumen, la entropía y otras propiedades.

12 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, febrero 2011

la temperatura ambiente se vio impulsada a finales de los noventa, cuando el grupo de Vitalij K. Pecharsky y Karl A. Gschneidner, del Laboratorio Ames (Iowa), descubrieron un material que presenta un efecto magnetocalórico gigante alrededor de la temperatura ambiente. Los grandes cambios de entropía que ocurren en este material se deben a una transición de fase que conlleva un cambio de orden magnético y de estructura cristalina. Motivados por este hallazgo, numerosos equipos de investigación de todo el mundo acometieron la búsqueda de otros materiales aptos para la refrigeración magnética alrededor de la temperatura ambiente. Entre los materiales que se han propuesto destacan las aleaciones basadas en níquel (Ni) y manganeso (Mn), con la adición de un tercer elemento (Ni-Mn-Z, siendo Z un elemento de las columnas ÿÿÿA a ČA de la tabla periódica). Estas aleaciones presentan cambios de fase reversibles entre estructuras cristalinas. La transición de fase comporta en el material una variación de la imanación, el volumen, la entropía y otras propiedades.

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N U E VO S R E F R I G E R A N T E S S Ó L I D O S

Los frigoríficos suelen basar su funcionamiento en hidrofluorocarbonos, fluidos refrigerantes que contribuyen de forma notable al efecto invernadero. Para reducir esta contaminación, se están desarrollando refrigerantes sólidos respetuosos con el ambiente, que operan mediante un efecto magnetocalórico o barocalórico, como el de la ilustración. 4. Se libera al exterior el exceso de calor.

REFRIGERACIÓN POR EFECTO BAROCALÓRICO

COMPRESIÓN

1. Transición de fase que produce el enfriamiento del material.

DESCOMPRESIÓN

EXPULSIÓN DE CALOR

3. Se comprime el sólido, que retorna a la fase inicial, aumentando su temperatura.

ABSORCIÓN DE CALOR

2. El material frío absorbe calor, con lo que disminuye la temperatura del frigorífico

nución de la imanación que tiene lugar cuando ocurre la transición de la fase de alta a la de baja temperatura, propiciada por una variación en la separación entre los átomos de manganeso. Efecto barocalórico Además del efecto magnetocalórico característico de los sólidos magnéticos, los materiales sólidos pueden presentar efectos calóricos asociados a otras propiedades, es decir, cambios de entropía o de temperatura resultantes de la aplicación de presión, campos eléctricos, etcétera.

—Lluís Mañosa Antoni Planes Facultad de Física Universidad de Barcelona

MISTIKAS/ISTOCKPHOTO (frigorífico)

Las aleaciones Ni-Mn-Z ya habían sido objeto de un interés creciente debido a sus propiedades de memoria de forma magnética. Y hace algunos años se demostró que presentaban un efecto magnetocalórico gigante. En 2005 se observó un comportamiento anómalo: mientras que los materiales magnéticos suelen calentarse al aplicar un campo magnético, la mayoría de las aleaciones Ni-Mn-Z se enfrían. Este fenómeno, el «efecto magnetocalórico inverso», se describió en junio de aquél año en la revista Nature Materials. Dicho comportamiento anómalo se debe a la dismi-

Estos efectos han sido tradicionalmente poco estudiados, ya que se espera que sean de pequeña magnitud. Sin embargo, tal y como ocurre en el caso magnético, es posible que el fenómeno se vea ampliado en las cercanías de una transición de fase que involucre un cambio relevante de la propiedad física termodinámicamente conjugada del campo aplicado. Con esa idea, en 2008 se demostró la posibilidad de un efecto calórico notable asociado a la aplicación de un esfuerzo uniaxial en una aleación metálica. Por otra parte, en un trabajo reciente fruto de la colaboración entre la Universidad de Barcelona, la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania, publicado en mayo de 2010 en Nature Materials, se ha demostrado que una aleación de NiMn-In presenta, además de efecto magnetocalórico, un efecto barocalórico de igual o mayor magnitud para presiones hidrostáticas moderadas. El origen de dicho efecto barocalórico (cambio de entropía resultante de una presión hidrostática) no es otro que una transición de fase entre estructuras cristalinas que, además de un cambio de imanación, comporta un cambio de volumen. De hecho, se espera que muchos de los materiales con efecto magnetocalórico gigante presenten también un efecto barocalórico notable, ya que a menudo los cambios magnéticos en estos materiales vienen acompañados de cambios de volumen importantes. Estamos convencidos de que el uso de diversas propiedades físicas para la producción de frío debería facilitar el desarrollo de materiales asequibles que permitan la comercialización de sistemas domésticos e industriales de refrigeración en estado sólido. Esperamos que en un futuro próximo dichas técnicas sustituyan los sistemas actuales por otros más respetuosos con el ambiente.

Febrero 2011, InvestigacionyCiencia.es 13


Refrigeración respetuosa con el medio ambiente