El 'material mágico' del MIT que puede ahorrar billones en electricidad

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts han desarrollado un tratamiento de materiales a escala micro y nanoscópica que acelera el proceso de ebullición del agua y recorta el uso de energía utilizada para calentar y evaporar este líquido.

El invento es un tratamiento que se puede aplicar a cualquier superficie y, según el equipo de desarrollo, puede aplicarse a todo tipo de procesos industriales incluyendo la mayoría de las plantas productoras de electricidad, muchos sistemas de producción química y productos de consumo, desde un cazo para cocinar a la refrigeración de productos electrónicos. Si pasan con éxito a la fase de producción industrial, su sistema podría ahorrar miles de millones de euros en energía a nivel mundial.

Cómo funciona

Su trabajo — publicado en el diario científico Materiales Avanzados — combina tres métodos para modificar la superficie del material a múltiples escalas. “La clave del nuevo tratamiento de superficies es añadir texturas en varias escalas de tamaño diferentes”, afirman. Como se puede ver bajo estas líneas en las fotografías realizadas con microscopio electrónico, la primera textura (a 200 micrómetros) es una matriz muy densa de pilares cortos y huecos. Haciendo zoom hasta dos micrómetros se puede ver que estos pilares están recubiertos de una textura rugosa a escala nanométrica. A 500 nanómetros, esa textura se revela como un tapiz de fibras retorcidas.

Según los científicos que han desarrollado esta superficie, estas micro y nanotexturas son la clave para optimizar el proceso de ebullición del agua. Optimizando tanto el coeficiente de transferencia de calor (HTC en sus siglas en inglés) como el flujo de calor crítico (CHF), algo que aseguran nunca había sido posible hasta este desarrollo. Antes de su trabajo, afirman, si optimizabas uno de estos parámetros, el otro sufría, impidiendo la aceleración del proceso de ebullición.

Uno de los autores del trabajo — el estudiante de doctorado recién graduado Youngsup Song — cuenta en la nota de prensa del MIT que "ambos parámetros son importantes, pero mejorar ambos parámetros juntos es un poco complicado porque tienen un intercambio intrínseco [...] si tenemos muchas burbujas en la superficie hirviendo, eso significa que la ebullición es muy eficiente, pero si tenemos demasiadas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar una película de vapor sobre la superficie hirviendo". Song dice que ese vapor “impide la eficiencia de la transferencia de calor y reduce el valor de CHF".

Las texturas, afirma, son la clave para controlar el flujo de burbujas y evitar que disminuya la eficiencia del proceso de ebullición del agua. Por ejemplo, las “microcavidades definen la posición en la que surgen las burbujas. Pero al separar esas cavidades dos milímetros, separamos las burbujas y minimizamos su coalescencia".

Funciona con cualquier líquido

El resultado puede verse en el vídeo sobre estas líneas — capturado a alta velocidad y ralentizado cien veces. El agua hierve en un contenedor cuya superficie ha sido tratada con este nuevo método. Como explica Song, las texturas aplicadas hacen que sólo se formen burbujas en puntos determinados por los pilares pero no por toda la superficie.

Según Song, este método es también aplicable a cualquier otro líquido y proceso de transferencia de calor. Para usarlo con otros compuestos sólo habría que ajustar el tamaño para adaptarse a sus elementos. Es algo que harán, dice, en los siguientes pasos de la investigación.

Otra de las cosas que quedan por investigar es cómo aplicar estas texturas a gran escala para su uso industrial. Según otro de los autores de este estudio — la profesora de ingeniería Evelyn Wang — esto acaba de empezar aunque hayan invertido años en este desarrollo: "Demostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para obtener mejoras es un primer paso. Lo siguiente es pensar en enfoques [de fabricación] más escalables" para la producción comercial.