24/01/2011 - Lo nano al servicio de la eficiencia energética

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Una parte importante de la investigación se centra en el impacto de los nanofluidos sobre la salud y el medio ambiente. En el Centro de Investigación de Casaccia (Roma), un grupo de investigadores de la ENEA (Agencia Nacional Italiana para las Nuevas Tecnologías, la Energía y el Desarrollo Económico Sostenible) se enfrenta a un reto tecnológico de gran importancia para el desarrollo de instrumentos energéticamente más eficientes: la creación y caracterización de nanofluidos refrigerantes (nanofluid coolants).

El proyecto NanoHex (‘Enhanced nano-fluid heat exchange’; HENIX, en su acrónimo), bajo el amparo del 7º Programa Marco de la UE, tiene como objetivo desarrollar y optimizar procesos fiables para la producción de nanofluidos refrigerantes de alto rendimiento, con el fin de utilizarlos en el control del calor que emite la maquinaria industrial.

En muchos procesos industriales, las máquinas utilizadas emiten gran cantidad de calor que puede influir en el rendimiento de las mismas. “Con un intercambiador de calor extraes calor de la fuente térmica y lo dispersas para que la máquina que está en funcionamiento trabaje apropiadamente”, comenta el Dr. Mauro Falconieri, responsable del Laboratorio de Espectroscopía de Materiales Funcionales del Centro de Investigación de Casaccia. “Esto se puede hacer con un fluido que conduzca el calor desde la zona más caliente a otra más fría. La conductividad térmica (propiedad física de un material que determina su capacidad de conducción del calor) del fluido es un parámetro que te dice si puedes tener una transferencia de calor más eficiente”, añade. Para extraer el calor de la fuente, algunas veces es necesario aplicar energía (por ejemplo, una bomba que haga circular el fluido en el intercambiador de calor). “Si el fluido no es eficiente, es probable que necesites una bomba muy grande para dispersar el calor y disminuir la temperatura”,  explica el Dr. Falconieri. “Pero si el fluido es más eficiente, necesitarás una bomba más pequeña. Esta es la razón por la cual necesitamos un intercambiador de calor más eficiente”, añade. Y eso se consigue introduciendo nanopartículas en el fluido.

Una parte muy importante de este proyecto es lo que se denomina Evaluación del Ciclo de Vida. Se trata de evaluar en detalle la seguridad y el posible impacto para la salud y el medioambiente de los nanofluidos refrigerantes, en cualquiera de sus aplicaciones. “Una vez que tienes el producto industrial, debes especificar cuál es su ciclo de vida”, comenta Falconieri. Esto es, el tiempo en que el nanofluido tardará en degradarse, la manera en que se deberá cambiar este nanofluido por otro dentro del sistema, los pasos a seguir para deshacernos de él,… No podemos verterlo por el desagüe, ya que no conocemos sus posibles efectos toxicológicos, tanto para el ser humano como para el medio ambiente. “Es algo a tener muy en cuenta en los proyectos sobre Nanotecnología. Por ejemplo, en los últimos años se ha descubierto que los nanotubos de carbono son nocivos para la salud porque, si se inhalan, pueden introducirse en las células y dañarlas, ya que actúan como agujas nanométricas”, aclara. Esto es parte, también, del coste global del proyecto, ya que para evaluar la eficiencia energética del producto hay que tener en cuenta todo el ciclo de vida del mismo.

La nanotecnología en alza

Pero, ¿qué es un nanomaterial? ¿Qué hace a la Nanotecnología tan interesante? “A tamaños tan pequeños (1 nm = 10-9 m)”, comenta el Dr. Méndez, Director del Centro de Nanomateriales Funcionales del Brookhaven National Laboratory (USA), “las propiedades de los materiales son diferentes (color, conductividad, resistencia mecánica, etc.); entra en juego la mecánica cuántica, por lo cual las propiedades no dependen únicamente de la química de los átomos de los elementos, sino que dependen también de comportamiento cuántico”. Otra característica crucial es que a medida que disminuimos el tamaño de las partículas, las superficies juegan un papel más importante, ya que el número de átomos en la superficie aumenta dramáticamente. “Al igual que ocurre con un terrón de azúcar cuando lo disolvemos: el volumen agregado no cambia, pero la superficie agregada de todos los granos disueltos es mucho mayor que la del prisma (terrón) original”, aclara.

Desde que en 1959 un genio llamado Richard Feynman dijera aquello de “Hay espacio de sobra en el fondo” (”There’s plenty of room at the bottom” era el título de la conferencia que ofreció en el Instituto Caltech de California y que, para muchos, constituye el comienzo de la Nanotecnología como ciencia) ha llovido mucho. Aquellos tímidos comienzos alcanzaron su apogeo en la década de los 80, gracias al invento del microscopio de efecto túnel (1981) y del microscopio de fuerza atómica (1986), y al descubrimiento de los fullerenosnanotubos de carbón, del grafeno y de los puntos cuánticos.” (1985). Pero no ha sido hasta hace relativamente poco tiempo que esta tecnología ha comenzado a despegar de verdad. ¿Por qué ahora? Una razón importante es el impulso que le ha dado la Microelectrónica. “Hoy en día, la miniaturización ha hecho posible que el tamaño de los transistores que tenemos en nuestros ordenadores sea del orden real de los 60 nm.”, explica el      Dr. Méndez. Y prosigue: “Además, el desarrollo de los nuevos métodos para sintetizar materiales ha hecho posible el estudio en profundidad de los

El proyecto ‘NanoHex’

El objetivo principal del proyecto es la aplicación directa de los nanofluidos refrigerantes en dos sistemas: los Centros de Cálculo (Data Centers) y los convertidores electrónicos de potencia (power electronics) para trenes eléctricos. Un Centro de Cálculo es, básicamente, una sala donde hay muchas CPU trabajando, así que necesitan un control de la temperatura. Por otro lado, los motores eléctricos de los trenes se controlan con dispositivos electrónicos, que necesitan ser refrigerados. Es decir, que si se reduce el peso y las dimensiones del intercambiador, probablemente se ahorrará energía y espacio.   ”En este proyecto, tenemos dos grandes compañías que están interesadas en este intercambiador de calor. Una es Thermacore Europe Ltd, que produce Centros de Cálculo (y que, además, coordina todo el proyecto); y también está Siemens, que está interesada en los sistemas refrigerantes para los dispositivos electrónicos de los trenes eléctricos”, explica el Dr. Falconieri. “Ya que nuestro proyecto es un proyecto industrial (en definitiva, tenemos que producir una cantidad de nanofluido dirigido a la aplicación industrial), estas dos compañías son realmente las que lideran el consorcio, ya que ellas conocen los requisitos que deben cumplir los fluidos. Si se necesita enfriar un tren que, supongamos, va a viajar por Siberia, será imprescindible que el fluido no se congele a -40 °C; así que ese es un requisito que debemos tener en cuenta, ya que de otra manera nuestro producto no sería útil para el usuario final”, añade.

Los fluidos refrigerantes siempre se han utilizado en los intercambiadores de calor. La novedad de este proyecto es no utilizar un fluido homogéneo (como el agua o el etilglicol, los fluidos que se utilizan normalmente, que tienen una cierta capacidad para intercambiar el calor), sino uno inhomogéneo, donde las propiedades térmicas son diferentes. Hace cientos de años ya se estudió cuál sería el comportamiento de un fluido al introducir partículas dentro de él; pero en los últimos años, con el auge de la Nanotecnología, muchos grupos de investigación han tratado de hacer fluidos con nanopartículas dentro, sin mucho éxito. Ahora hay un especial interés en estudiar cómo cambiar la forma y la composición de estas nanopartículas, ya que no es fácil controlar la agregación de formas y la composición de la superficie de las mismas; de hecho, muchos resultados son poco productivos. “Así que este es nuestro proyecto; con estos antecedentes de resultados interesantes pero poco reproducibles, sin una manufactura a gran escala, nosotros estamos estudiando la manera de controlar las propiedades de los nanofluidos en la producción a gran escala. Ese es el proyecto. Es un tipo de desarrollo industrial basado en una investigación básica”, aclara el Dr. Falconieri.

Pero, ¿cómo fabrican este nanofluido refrigerante? Rosaria D’Amato, investigadora del mismo laboratorio, nos lo explica: “Cuando utilizas un fluido como el agua, o como el glycol, en donde hay nanopartículas dispersas, este fluido mejora sus propiedades como refrigerante. En este momento estamos al principio de la investigación, estudiando el fenómeno y tratando de averiguar qué clase de nanopartículas son las más apropiadas y qué parámetros son importantes para este estudio.”

Y prosigue: “Producimos nanopartículas de diferentes materiales mediante pirólisis láser (mecanismo por el cual un gas, sometido a un haz de láser, se descompone en compuestos reactivos que interaccionan entre sí, dando lugar a las nanopartículas). Después, estas nanopartículas son dispersadas en una solución o en agua, dependiendo de las necesidades.” Se obtiene, así, una dispersión en donde las nanopartículas se encuentran ‘nadando’. Es importante que las nanopartículas sean muy pequeñas (del orden de los 5-10 nm) para que la dispersión sea lo suficientemente buena y las nanopartículas no se depositen en el fondo del recipiente por efecto de la gravedad. “Sin embargo, las nanopartículas no se encuentran aisladas, sino formando agregados; aún en este caso, se obtienen unas características determinadas de las nanopartículas. En nuestro proyecto, utilizamos TiO2 (dióxido de titanio) y SiO2 (dióxido de silicio) como nanopartículas, cuyas propiedades térmicas son importantes a la hora de elegirlos como componentes de los nanofluidos refrigerantes”, añade.

Pero ahí no termina todo; deben caracterizar a las nanopartículas, deben conocer sus características térmicas, su dimensión, su agregación, algunas propiedades ópticas (si fueran necesarias),… Para ello, se utiliza la espectroscopía láser, aplicándola sobre muestras de una disolución muy poco concentrada de nanopartículas; esto es, se toma la solución de nanopartículas, se disuelve en agua o etanol al 1%, y se coloca en un soporte de manera que incidan sobre ella dos haces de láser de diferentes frecuencias, para así obtener un espectro de dispersión. El efecto de la dispersión de la luz lo observamos cada vez que tenemos la ocasión de contemplar un arco iris; la diferencia entre el arco iris y el espectro de dispersión que se consigue con la espectroscopía láser es que, en aquel, la luz incidente es un ‘conglomerado’ de frecuencias (cada color corresponde a una frecuencia de luz) y, en este, la luz incidente tiene una frecuencia determinada. “De esta forma, podemos estudiar la difusión térmica de la dispersión de nanopartículas (de TiO2 o de SiO2), mediante técnicas ópticas”, explica Flaminia Rondino, joven investigadora asignada también a este proyecto. Para ello utiliza un láser de femtosegundo (1 fs = 10-15 s), que le permite estudiar fenómenos que se producen muy rápidamente dentro del material, como es el caso de los nanomateriales. Sin embargo, esto es solo el principio. Después de estas investigaciones de base, una vez encontrado el nanofluido ‘perfecto’, este debe ser producido en grandes cantidades para su uso industrial.

Ya han pasado cincuenta años desde aquella conferencia de Feynman, pero creo que no nos equivocamos si decimos que esto no ha hecho más que empezar.

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