Efecto electrocalórico

El efecto electrocalórico es un fenómeno en el que un material muestra un cambio de temperatura reversible bajo la acción de un campo eléctrico aplicado .

El efecto electrocalórico (ECE) es un fenómeno observado en materiales dieléctricos , donde se produce un cambio reversible de temperatura/ entropía debido a la alineación y reordenamiento de dipolos bajo la acción de un campo eléctrico. Al aplicar un campo eléctrico, los dipolos dentro del material dieléctrico se alinean, lo que provoca una disminución de la entropía dipolar y la liberación de calor, resultando en un aumento de la temperatura. ^{[ 1 ]} Por el contrario, al retirar el campo eléctrico, los dipolos vuelven a un estado más desordenado, lo que hace que el material absorba calor de su entorno, resultando en una disminución de la temperatura. Este efecto se está explorando para su uso en aplicaciones de refrigeración de estado sólido , particularmente en áreas donde los métodos de refrigeración tradicionales pueden ser menos eficientes o poco prácticos, como en dispositivos portátiles, microelectrónica y gestión térmica distribuida . ^{[ 2 ]}

El efecto electrocalórico se suele considerar el inverso físico del efecto piroeléctrico. No debe confundirse con el efecto termoeléctrico (en concreto, el efecto Peltier ), en el que se produce una diferencia de temperatura cuando se hace circular una corriente eléctrica a través de una unión entre dos conductores distintos.

Antes de 2006, el efecto electrocalórico (ECE) observado era relativamente pequeño, produciendo típicamente un cambio de temperatura de aproximadamente 2,5 K a temperaturas superiores a 200  °C y de aproximadamente 2 K a temperatura ambiente. El tantalato de plomo y escandio (PST) ^{[ 3 ]} se estudió en 1989 y mostró un cambio de temperatura de 2,5 K.

Los dispositivos electrocalóricos (EC) utilizan el efecto electrocalórico, en el que un campo eléctrico provoca un cambio de temperatura reversible en un material. Los ciclos de refrigeración EC, similares a la refrigeración tradicional pero sin refrigerantes nocivos, implican fases de calentamiento y enfriamiento impulsadas por campos eléctricos. Estos ciclos son energéticamente eficientes y respetuosos con el medio ambiente, lo que hace que los dispositivos EC sean ideales para la refrigeración portátil, localizada y distribuida. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El efecto EC implica un cambio de temperatura en un material dieléctrico cuando se aplica o se retira un campo eléctrico, lo que lo hace adecuado para soluciones de refrigeración compactas. En 2013, se demostró un sistema de refrigeración de estado sólido a escala de chip que utiliza películas de polímero EC, logrando un rango de temperatura de 6 K cerca de la temperatura ambiente mediante un prototipo de dispositivo de refrigeración oscilatoria EC (ECOR). ^{[ 11 ]}

En 2015, se desarrolló un dispositivo de enfriamiento electrocalórico (EC) a pequeña escala utilizando cerámicas ferroeléctricas relaxoras a granel , específicamente [Pb(Mg _1/3 Nb _2/3 )O ₃ ] _0.9 [PbTiO ₃ ] _0.1 (PMN-10PT), como material activo en un regenerador electrocalórico activo (AER). ^{[ 12 ]} El dispositivo logró un rango de temperatura significativo a través del regenerador mediante el empleo de un sistema de flujo de fluido y un campo eléctrico controlado. Los resultados experimentales demostraron un rango de temperatura de hasta 3,3 K bajo un campo eléctrico aplicado de 50 kV/cm. Además, las simulaciones indicaron que con optimizaciones de diseño, como el uso de agua desionizada como fluido del regenerador y la extensión de la longitud del regenerador, se podría lograr un rango de temperatura de hasta 14 K.

La mayoría de los dispositivos de enfriamiento calórico se basan en ciclos regenerativos para lograr un rango de temperatura mayor que el cambio de temperatura adiabático de los materiales calóricos. Sin embargo, el uso de regeneradores externos puede reducir la eficiencia general de estos dispositivos. En 2017, investigadores demostraron un dispositivo de enfriamiento electrocalórico regenerativo que funciona sin regeneradores externos. ^{[ 13 ]} El dispositivo empleó elementos cerámicos multicapa comerciales. Bajo un campo eléctrico de 16,6 MV/m, estos elementos lograron un rango de temperatura de 0,9 K.

Ese mismo año, en 2017, investigadores diseñaron un dispositivo de refrigeración electrocalórica compacto y flexible mediante la integración de una película de polímero EC con actuación electrostática. ^{[ 14 ]} Este dispositivo demostró un coeficiente de rendimiento (COP) de 13 y una potencia de refrigeración específica de 2,8 W/g. El estudio subraya el potencial de las tecnologías de refrigeración EC para aplicaciones de refrigeración compactas y eficientes, en particular en dispositivos portátiles y vestibles.

En 2018, investigadores del United Technologies Research Center (UTRC) demostraron la bomba de calor electrocalórica de aire directo, aprovechando las innovaciones de la refrigeración de aire directo mediante películas de polímero EC y la ingeniería de dispositivos que mejoraron significativamente la eficiencia de refrigeración y el rendimiento de los dispositivos EC. ^{[ 15 ]}

En 2020, los investigadores demostraron un regenerador EC activo, cuya innovación consistió en un diseño de placas paralelas que utilizaba condensadores multicapa de tantalato de escandio y plomo (PST), optimizados mediante modelado de elementos finitos para mejorar el aislamiento y la transferencia de calor. ^{[ 16 ]} El prototipo alcanzó un rango de temperatura de 13 K, lo que demuestra el potencial de los materiales EC para aplicaciones de refrigeración de alta eficiencia.

Un estudio de 2020 sobre dispositivos electrocalóricos logró avances significativos en el diseño y el rendimiento de sistemas de refrigeración totalmente de estado sólido. ^{[ 17 ]} La investigación presentó un sistema de refrigeración EC escalable y de alto rendimiento basado en condensadores cerámicos multicapa PST (MLCC). Al aprovechar una arquitectura modular y autorregenerativa, y mejorar tanto las propiedades del material como la ingeniería del dispositivo, el sistema alcanzó un rango de temperatura de 5,2  °C y un flujo de calor máximo de 135  mW/cm ² .

Un avance significativo en 2020 fue el desarrollo de un dispositivo electrocalórico en cascada, que aumenta el rango de temperatura mediante la integración de múltiples elementos poliméricos EC que operan en sinergia. ^{[ 18 ]} Este dispositivo alcanzó un rango de temperatura de 8,7 K en condiciones de ausencia de carga. Además, el dispositivo logra un coeficiente de rendimiento (COP) de 9,0 con un incremento de temperatura de 2,7 K y de 10,4 con un incremento de temperatura nulo.

En 2023, investigadores desarrollaron un dispositivo EC utilizando condensadores multicapa PST que alcanzó un rango de temperatura máximo de 20,9 K en condiciones sin carga y una potencia de refrigeración de 4,2 W bajo un campo eléctrico moderado. ^{[ 19 ]} Con un coeficiente de rendimiento (COP) que alcanza hasta el 64 % de la eficiencia de Carnot al considerar la recuperación de energía, este diseño representa un paso significativo para convertir la tecnología EC en una alternativa viable a los sistemas de refrigeración por compresión de vapor tradicionales.

Mediante la integración de módulos fotovoltaicos orgánicos flexibles con módulos de polímeros electrocrómicos, un estudio de 2023 demostró un sistema portátil eficiente y autosostenible capaz de regular la temperatura corporal utilizando únicamente la luz solar. ^{[ 20 ]} Los dispositivos electrocrómicos, basados ​​en el polímero electrocrómico P(VDF-TrFE-CFE), ofrecen alta eficiencia, bajo consumo de energía y termorregulación bidireccional, lo que los hace idóneos para aplicaciones portátiles. Estas innovaciones abren el camino a soluciones termorreguladoras prácticas para todo el día en entornos exigentes, como las regiones polares o los viajes espaciales.

En 2023 y 2024, investigadores desarrollaron refrigeradores poliméricos autooscilantes ^{[ 21 ] [ 22 ]} que combinan los efectos electrocalóricos y electroestrictivos. Estos dispositivos, que no requieren accesorios, demuestran una alta densidad de potencia de enfriamiento de más de 6,5 W/g y un coeficiente de rendimiento (COP) máximo superior a 58. Estos avances resaltan el potencial de la tecnología EC para proporcionar soluciones eficientes y localizadas de gestión térmica sin necesidad de actuadores externos.

• Efecto elastocalórico
• Efecto magnetocalórico

• Scott, JF (2011). "Materiales electrocalóricos". Annual Review of Materials Research . 41 : 229–240 . Bibcode : 2011AnRMS..41..229S . doi : 10.1146/annurev-matsci-062910-100341 .