Cómo enfriar un objeto sin utilizar energía

Rhett Allain

Este verano ha sido caluroso, uno de los más calurosos registrados, y probablemente seguirá haciendo más calor. Siento que estamos llegando al punto en que el aire acondicionado no es sólo algo agradable, sino una necesidad. Hay varias formas de enfriar las cosas, pero el método más común es usar un compresor y refrigerante. Sin embargo, estas unidades de aire acondicionado tradicionales son difíciles (y costosas) de reparar y consumen bastante electricidad. En Estados Unidos, en 2022, el 10 por ciento del uso de energía del país se dedicó a enfriar el aire. Eso es mucho.

Realmente necesitamos pensar en formas alternativas de reducir el calor. Hay otra manera de disminuir la temperatura de un objeto, y ni siquiera requiere energía ni combustible. Se llama enfriamiento radiativo. Utilizando los materiales adecuados, se puede conseguir que un objeto irradie más energía de la que absorbe, bajando su temperatura unos pocos grados. Parece demasiado bueno para ser verdad, pero funciona gracias a algunas ideas de física muy interesantes.

Todo emite luz y eso significa que todo puede transferir energía térmica. Puede sonar extraño, pero comencemos pensando en las bombillas. Hay varias formas de hacer que un objeto emita luz, pero el método más sencillo es calentarlo mucho. Esto es lo que sucede con las bombillas incandescentes tradicionales: una corriente eléctrica pasa a través de un filamento dentro de la bombilla y calienta tanto el filamento que brilla. (Esa temperatura es de alrededor de 3600 grados Fahrenheit). Es simple, razón por la cual ese tipo de bombilla existe desde hace más de 100 años.

Pero ¿qué pasa con las cosas que no son muy calientes, como una papa, tu par de zapatos favoritos o el pomo de una puerta? Sí, también producen un tipo de luz.

Recuerde que la luz es una onda electromagnética y todas estas ondas viajan a la velocidad de la luz (3 x 108 m/s) pero con diferentes longitudes de onda. Si la longitud de onda de esta onda electromagnética está entre 400 y 700 nanómetros, entonces la llamamos luz visible y es detectable por el ojo humano. Esa patata (a temperatura ambiente) produce ondas electromagnéticas con una intensidad máxima de 9,8 micrómetros. A esta región del espectro electromagnético la llamamos luz infrarroja. No se puede detectar con los ojos, pero podemos producir una imagen con una cámara de infrarrojos.

Aquí hay un ejemplo de mi perro. Como es un poco más cálido que su entorno, produce longitudes de onda de luz ligeramente diferentes. Esto significa que en una imagen infrarroja, él no simplemente se mezcla con el fondo.

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Hay tres formas en que los objetos pueden tener una interacción térmica con otros objetos. El método más común es mediante conducción de calor. Esto sucede cuando dos objetos de diferentes temperaturas están en contacto y la energía térmica se transfiere del objeto más caliente al más frío, como cuando sostienes una lata de refresco frío en la mano. La lata se calienta y tu mano se enfría.

El siguiente método de transferencia de calor es la convección y solo funciona con gases y fluidos. Usemos el aire como ejemplo. Suponga que tiene una fuente de calor como una estufa. El aire cerca del quemador de la estufa aumentará de temperatura a través de una interacción de conducción de calor. Este aire más caliente ahora tendrá una densidad menor que el aire más frío que se encuentra encima. Subirá y el aire más frío ocupará su lugar. Entonces el aire caliente puede tener otra interacción de conducción de calor con las cosas que están encima, como quizás el techo. La transferencia indirecta de calor desde la estufa al techo es por convección.

El tercer tipo de interacción térmica es la radiación, y ésta es la que realmente queremos. Cuando un objeto caliente emite radiación infrarroja, esa radiación puede ser absorbida por otros objetos. Así es exactamente como funciona tu horno. Pones dentro las cosas que quieres cocinar y los elementos calefactores se calientan mucho, produciendo radiación térmica. (Sí, es lo mismo que el infrarrojo). La comida lo absorbe y aumenta su temperatura.

Ahora imagina que precalientas tu horno, luego lo apagas y metes una papa dentro. El horno caliente emite radiación térmica y la patata absorbe la mayor parte. El resultado: la patata se calienta más y el horno se enfría. En realidad, esta no es una forma normal de hornear una papa, pero la cuestión es que cuando los objetos producen radiación térmica, se enfrían.

Pero si todo lo que nos rodea emite radiación electromagnética en el infrarrojo, ¿no debería entonces todo enfriarse? No precisamente. Si tomas una manzana y la colocas sobre una mesa, emite radiación térmica. Pero también absorbe la radiación de todo lo demás: la mesa, el aire, las paredes. Entonces, cuando todos los objetos en la misma vecindad ya tienen la misma temperatura, no se enfriarán por radiación.

Hay otra propiedad muy importante a considerar para comprender completamente cómo funciona el enfriamiento radiativo: la diferencia entre reflectividad y emisividad. Imagina que tienes un espejo perfecto. Toda la luz que incide sobre él se refleja en él. Ese espejo tendría una reflectividad de 1, lo que significa que el 100 por ciento de la luz que incide en él rebota.

Una hoja de papel de aluminio también refleja bastante luz, pero no toda. Podría tener una reflectividad de alrededor de 0,88, lo que significa que refleja el 88 por ciento. El otro 12 por ciento de la luz que incide sobre la lámina se absorbe, lo que aumenta la temperatura de la lámina.

Ahora imagina un objeto que no refleja la luz en absoluto. Por supuesto, todavía emite luz, pero sólo debido a su temperatura y no porque la luz se refleje en él. Este objeto tendría una emisividad de 1 y lo llamaríamos “cuerpo negro perfecto”, lo que significa que absorbe toda la radiación electromagnética. Entonces, la emisividad es esencialmente lo opuesto a la reflectividad.

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Tanto la reflectividad como la emisividad dependen de la longitud de onda de la luz. El hecho de que algo no sea muy reflectante en el espectro visible (longitud de onda de 400 a 700 nm) no significa que actúe de la misma manera en las longitudes de onda infrarrojas (alrededor de 10 micrómetros). Mire nuevamente la imagen infrarroja del perro de arriba. ¿Notaste que puedes ver su reflejo en el suelo? Ese suelo no refleja mucho en el espectro visible; sin embargo, es reflectante para infrarrojos.

Aquí hay otra forma de ver la diferencia entre una superficie reflectante y emisiva. A continuación se muestra una imagen infrarroja de dos latas de aluminio, ambas a temperatura ambiente. La única diferencia es que el del lado derecho tiene cinta adhesiva que cubre el costado de la lata, pero no la parte superior. La cinta evita que la lata de la derecha refleje la luz infrarroja, lo que significa que estos dos objetos son idénticos, excepto por su emisividad. (Puedes ver mi mano tocando la parte superior de la lata a la derecha).

La simple lata de aluminio de la izquierda es muy reflectante en la región infrarroja. Aunque las partes que se muestran en naranja parecen estar más calientes, en realidad no es calor de la lata; en realidad es un reflejo infrarrojo del calor de mi mano, que toca la otra lata.

Puse la cinta en la lata de la derecha para poder aumentar su emisividad. Dado que la cinta no refleja la luz infrarroja, el color que ves se basa en la temperatura de la lata y no en cosas calientes como mi mano. (Debido a que la parte superior de esta lata de la derecha no está cubierta con cinta adhesiva, esa parte sigue siendo muy reflectante. Es por eso que todavía se puede ver una mancha naranja, que refleja el calor de mi mano).

Aquí hay otro ejemplo del mundo real: en un día caluroso y soleado, ¿es mejor usar ropa blanca o negra? Una camisa blanca (con alta reflectividad) refleja más luz solar y no se calienta tanto. Una camisa negra (con alta emisividad), por el contrario, absorbe gran parte de la luz y se calienta. Eso significa que generalmente es mejor vestir de blanco, aunque hay algunos casos extraños en los que la ropa negra puede ser más fresca.

Probablemente ya hayas experimentado alguna forma de enfriamiento radiativo: durante el invierno, puedes saber si va a ser una noche fría mirando al cielo. En una noche sin nubes, el suelo irradia energía infrarroja y la pérdida de esta energía hace que el suelo se enfríe significativamente. No toda esa energía se escapa: el dióxido de carbono en la atmósfera puede atrapar algunas longitudes de onda infrarrojas. Eso es lo que causa el efecto invernadero. Pero una pequeña gama de longitudes de onda infrarrojas, entre 8 y 13 micrómetros, pueden atravesar la atmósfera y salir al espacio. (Este rango se llama “ventana de infrarrojos”).

Esto sólo funciona si la noche está despejada. Las nubes bloquean esa ventana infrarroja, por lo que la energía simplemente se refleja de regreso al suelo. Como resultado, el suelo se mantiene caliente. Es como si el planeta llevara una bonita manta de infrarrojos hecha de nubes esponjosas.

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Y no funciona durante el día. Durante el día, efectivamente, se produce radiación térmica que podría disminuir la temperatura de algunos objetos. Sin embargo, también existe otra gran fuente de calor: el sol. La luz del sol aumenta la temperatura de los objetos más que el efecto de enfriamiento de la radiación. En general, todo se calienta.

Hay una cosa extraña a considerar: si tienes un objeto en la superficie de la Tierra que se está enfriando, parece que eso violaría las leyes de la física. Las cosas no se enfrían simplemente a menos que hagas algo más caliente. Por ejemplo, su aire acondicionado enfría el interior de su casa calentando el aire exterior. Una lata de refresco en una hielera con hielo disminuye su temperatura porque el hielo aumenta de temperatura y se derrite.

Entonces, cuando un objeto se enfría mediante radiación, algún otro objeto debe aumentar su temperatura. Ese objeto es el espacio. Esta radiación emitida al espacio podría eventualmente llegar a la Luna y aumentar su temperatura, o tal vez simplemente viajará hacia el exterior para siempre.

¿Es posible hacer que las cosas se enfríen más que la temperatura ambiente mientras brilla el sol? Sí. Puedes hacer o construir un panel de enfriamiento radiativo. Se trataría de una superficie plana con una alta reflectividad en el espectro visible (para evitar que la luz del sol la caliente) y una alta emisividad en el infrarrojo (especialmente en la longitud de onda de 8 a 13 micrómetros). La luz visible se reflejará en el objeto para que no provoque calentamiento térmico, y la radiación infrarroja hará que su temperatura disminuya. Tanto la luz visible reflejada como la radiación infrarroja salen al espacio. (Tal vez en algún momento choquen contra otro planeta y provoquen su calentamiento, pero ese no es realmente nuestro problema del que preocuparnos).

Hay un par de formas de hacer que funcione un panel de enfriamiento radiativo. Un método muy sencillo utiliza cinta transparente encima de aluminio reflectante. La luz visible pasa a través de la cinta y luego se refleja en el aluminio (por lo que tiene una alta reflectividad), pero la cinta también permite que el material sea emisivo en el infrarrojo. Esto es tan simple que podría intentarlo yo mismo. A continuación se muestra una imagen visible e infrarroja de una hoja de papel de aluminio con un trozo de cinta de embalaje transparente y también una tira de cinta transparente normal.

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Julian Chokkattu

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Observe que en el espectro visible, la lámina es muy brillante (eso es bueno) y no se puede ver fácilmente la parte que tiene la cinta adhesiva. En el infrarrojo, la lámina simple se ve oscura ya que refleja el infrarrojo del cielo (por lo que no es muy emisivo). Sin embargo, la parte con la cinta parece mucho más caliente y muestra que efectivamente irradia la temperatura de la lámina. Este simple experimento en realidad no se enfrió más que la temperatura del aire, ya que la hierba caliente debajo probablemente lo calentó más que el efecto de enfriamiento radiativo, pero creo que es posible hacer que esto funcione.

De hecho, 3M fabrica una cinta de enfriamiento radiativo. Esto parece hacer algo similar (pero probablemente mejor) que el método del papel de aluminio más cinta.

Otro método utiliza una pintura blanca especial. Esta pintura es muy reflectante en el espectro visible pero emisiva en el infrarrojo. Hay un par de videos geniales que muestran cómo funciona esto y cómo hacerlo. Aquí hay uno de Tech Ingredients. Su método parece funcionar bien, pero no es algo que se pueda hacer fácilmente sin un laboratorio. NightHawkInLight tiene una versión diferente de pintura radiativa que podrías utilizar en una cocina normal.

Otra opción incluiría materiales mucho más complicados que utilicen nanopartículas o hidrogeles. También es posible confeccionar ropa que refleje la luz visible e irradie infrarrojos.

Hay otras dos aplicaciones muy interesantes del enfriamiento radiativo. Podría utilizar la diferencia de temperatura entre un panel de enfriamiento radiativo más frío y el suelo más caliente para generar energía con un generador termoeléctrico. (Sería como un panel solar que también funciona de noche). O también se podría utilizar la diferencia de temperatura creada por el enfriamiento radiativo para condensar agua directamente del aire, tal como los vaporizadores de humedad en Tatooine.

La mejor parte es que todas estas aplicaciones no tienen entrada eléctrica. Es como enfriamiento gratuito, desde el cielo. Ninguno de estos métodos por sí solo sería suficiente para reemplazar un aire acondicionado, porque solo eliminan unos pocos grados de calor. Pero todo ayuda, ¿verdad?