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Sep 06, 2023

Cómo las ventanas inteligentes ahorran energía

CRÉDITO: MODIFICADO DE ISTOCK.COM / ISMAGILOV Ventanas inteligentes que se tiñen en respuesta

CRÉDITO: MODIFICADO DE ISTOCK.COM / ISMAGILOV

Las ventanas inteligentes que se tiñen en respuesta a estímulos como el calor o la luz, o la preferencia de un usuario, son cada vez más comunes, pero puede pasar un tiempo antes de que la tecnología se generalice.

El vidrio especializado que mantiene el calor durante el invierno y lo deja salir durante el verano podría hacer que los edificios sean mucho más eficientes, si los costos y las complejidades no se interponen en el camino.

Por Brittney J. Miller 06.08.2022

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La luz natural que se filtra a través de una ventana soleada es excelente, hasta que entrecierras los ojos y te limpias el sudor de la frente. Puede cerrar las persianas o encender el aire acondicionado, pero se queda con una habitación oscura o una factura de electricidad en aumento.

Hace 40 años se pensó en una solución a este enigma: ventanas inteligentes, ajustables a sus preferencias. Mediante el uso de materiales especiales que bloquean longitudes de onda de luz específicas, estas ventanas se adaptan al clima oa su comodidad personal. ¿Demasiado caliente? Las ventanas pueden teñirse para bloquear la luz y mantener las habitaciones más frescas. ¿Muy frío? El tinte desaparece, dejando que la cálida luz natural caliente tu espacio. ¿Quieres algo de privacidad? Algunos vidrios pueden empañarse con solo presionar un interruptor.

En las últimas décadas, los avances en la investigación de ventanas inteligentes han llevado la tecnología mucho más allá del laboratorio: se espera que el mercado de vidrios inteligentes alcance los $7500 millones para 2028. Ya se pueden encontrar tipos de ventanas inteligentes en barcos, automóviles y aviones, y son abriéndose paso en edificios como oficinas y terminales de aeropuertos. Y, suponiendo que superen algunos desafíos clave, podrían desempeñar un papel importante en hacer que los hogares sean más eficientes energéticamente algún día, dicen los defensores.

Los edificios representan la friolera del 39 por ciento del consumo de energía en los EE. UU., y el 35 por ciento está asociado con la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado. Debido a que las ventanas inteligentes pueden bloquear selectivamente el calor o dejarlo entrar, pueden reducir estas necesidades de energía: aproximadamente el 35 por ciento de la energía de un edificio típico se pierde a través de las ventanas.

Pero para que las ventanas inteligentes se generalicen y reduzcan el uso de energía de todos, el precio debe bajar. Los dispositivos actuales pueden costar hasta 10 veces el precio de las ventanas estándar de bajo consumo. Hacer que la tecnología sea más barata, y tal vez incluso más inteligente, son áreas de gran interés para los investigadores.

En el futuro, dice el físico de materiales Claes-Göran Granqvist, "realmente no hay ninguna razón para tener otras ventanas además de estas ventanas inteligentes".

Las ventanas inteligentes se originaron mucho antes de que los teléfonos y los televisores fueran considerados "inteligentes". A principios de la década de 1980, científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California estaban pensando en nuevas formas de fabricar materiales de construcción energéticamente eficientes. A los investigadores se les ocurrió la idea de una ventana receptiva que cambiaría dinámicamente su tinte. Granqvist, que formó parte de esa investigación inicial, empleó la frase "ventanas inteligentes" en una solicitud de subvención. El nombre se quedó, y la primera ventana inteligente se hizo realidad en 1984.

Las ventanas ayudan a crear espacios agradables dentro de los edificios y juegan un papel importante en el mantenimiento de un ambiente interior confortable. Las ventanas inteligentes de próxima generación serán clave para una economía más verde y más eficiente energéticamente.

Los prototipos originales medían apenas unos centímetros y presentaban vidrio que cambiaba reversiblemente de transparente a oscurecido, una hazaña lograda al juntar vidrio, varias capas de materiales y conductores transparentes que suministraban pequeñas descargas eléctricas. El voltaje alteró la forma en que los materiales interactuaban con la luz, cambiando las longitudes de onda que se reflejaban o absorbían.

A medida que avanzaba la tecnología, los investigadores exploraron otras sustancias que manipulan la luz en respuesta a otras indicaciones, como el calor, la luz ultravioleta y el magnetismo. Hoy en día, se utiliza una variedad de "materiales inteligentes" especiales y los investigadores continúan investigando otros nuevos.

Esos primeros prototipos usaban materiales "electrocrómicos", lo que significa que cambian reversiblemente en respuesta a la corriente eléctrica o al voltaje. Las ventanas electrocrómicas suelen presentar cinco capas en general, incluidas dos capas que sirven como electrodos (como los polos positivo y negativo de una batería) y una capa interna de electrolito que contiene iones. Cuando se aplica voltaje, los iones cargados positivamente son impulsados ​​hacia una capa mientras que los electrones se mueven hacia la otra. La reacción crea un tinte que bloquea parte de la luz visible, así como la luz infrarroja llena de calor. El tinte permanece hasta que otra ronda de voltaje desencadena una reacción inversa que extrae los electrones y los iones, volviendo así la ventana transparente una vez más.

"Es como una batería eléctrica", dice Granqvist, del Laboratorio Ångström de la Universidad de Uppsala en Suecia. "Tienes que poner algo de energía para cargarlo, pero luego puedes mantenerlo durante mucho tiempo".

El vidrio electrocrómico se usa ampliamente en ventanas inteligentes y ya se puede encontrar en pantallas de privacidad, paneles de visualización, ventanas de barcos, ventanas de aviones y algunos techos solares de automóviles. Algunos tipos de vidrio electrocrómico son casi opacos cuando no están alimentados. En este estado, los materiales sensibles del vidrio, ya sean gotas de cristal u otras partículas suspendidas, están dispuestos al azar, dispersando la luz en lugar de dejarla pasar, lo que enturbia el vidrio. Pero aplíquelo con una corriente eléctrica y las gotas o cristales se alinearán, volviendo el vidrio transparente.

Estas y otras ventanas electrocrómicas brindan a los ocupantes del edificio un control manual sobre los niveles de tinte, pero se requiere que los electricistas construyan adecuadamente los conjuntos de electrodos y los cables que los acompañan, lo que complica el diseño y la instalación. Esto hace que los precios sean mucho más altos que otros diseños de ventanas inteligentes. Por otro lado, los materiales son relativamente baratos y se vislumbran métodos de producción económicos y escalables, dice Granqvist.

Y las lunas electrocrómicas aún tienen margen de mejora. Los investigadores continúan investigando nuevos materiales receptivos, con el objetivo de aumentar la eficiencia y la longevidad de las ventanas. Por ejemplo, un prototipo que contenía óxido de estaño dopado con otros dos metales que bloquean tanto la luz infrarroja como la visible duró muchos más ciclos de encendido/apagado que muchas ventanas electrocrómicas existentes, informaron recientemente los científicos en ACS Omega.

Otra clase de ventanas inteligentes que cambian en respuesta al calor, llamadas termocrómicas, no tienen el cableado complicado ni las fuentes de alimentación de las ventanas electrocrómicas. Un material termocrómico que se ha estudiado durante mucho tiempo es el dióxido de vanadio (VO2), dice el científico de materiales Harlan Byker, quien fundó la compañía Pleotint, un fabricante de vidrio dinámico para ventanas.

Las ventanas inteligentes pueden cambiar entre un estado transparente y un estado de bloqueo, una hazaña que se logra aprovechando los materiales que cambian de forma de forma reversible. Algunos materiales se alteran en respuesta al calor o la electricidad (mostrado); otros responden a un campo magnético, tensión mecánica o niveles de humedad.

El VO2 tiene la capacidad de cambiar de forma a temperaturas más altas (alrededor de 68 grados Celsius o 154 grados Fahrenheit), lo que aumenta su capacidad para reflejar la luz infrarroja. Esto permite que la luz visible continúe entrando, iluminando la habitación, mientras reduce la cantidad de calor entrante, manteniendo la habitación más fresca. Los investigadores pueden mezclar sustancias especiales en el VO2 para que se refleje a temperaturas más bajas, pero esto dificulta el reflejo de la luz, lo que dificulta la transición del producto del laboratorio a los mercados comerciales, dice Byker.

Las ventanas termocrómicas de próxima generación pueden usar diferentes materiales que absorben la luz en lugar de reflejarla, creando un tinte continuo a medida que aumenta la temperatura, similar a las ventanas electrocrómicas. Una sustancia desarrollada recientemente aprovecha las interacciones entre los iones metálicos y otras moléculas para absorber menos luz infrarroja y visible cuando hace frío afuera, lo que permite que entre más calor. Cuando hace más calor, los materiales absorben más luz, manteniendo fuera el calor asociado.

Cada material sensible a la temperatura cambia a diferentes temperaturas y puede verse más o menos teñido, y tiene desafíos, dice el científico de materiales Long Yi de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. Algunos, como un polímero llamado hidrogel, son excelentes para desviar el calor pero presentan un tinte demasiado opaco para ver a través. Otros, como el VO2, son lo suficientemente transparentes como para conservar las vistas, pero no son tan eficientes desde el punto de vista energético porque tampoco pueden reflejar el calor.

"No hay materiales perfectos", dice Yi. "Solo podemos encontrar el material perfecto para ciertas aplicaciones".

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Una aplicación es diseñar ventanas que no solo dispersen la luz sino que también atrapen su calor. El laboratorio de Yi, por ejemplo, está desarrollando ventanas termocrómicas que pueden almacenar el calor recolectado en las horas más soleadas del día y liberarlo cuando la demanda y los costos son más bajos durante las horas más frescas del día.

Pueden hacer esto colocando hidrolíquido, una combinación de agua e hidrogel, entre dos paneles de vidrio. Las cadenas de polímeros dentro del hidrogel se expanden cuando las temperaturas descienden por debajo de los 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), volviendo el vidrio transparente. Por encima de este umbral, las cadenas se arrugan como papel y se enredan entre sí para crear un tinte, dispersando la luz visible y del infrarrojo cercano. Gracias al agua de la mezcla, que puede retener grandes cantidades de calor, el hidrolíquido absorbe el calor y lo libera gradualmente con el tiempo. Esto puede reducir las necesidades energéticas de calefacción, ventilación y aire acondicionado en un 35 por ciento en comparación con el vidrio de doble panel, según los datos de simulación de Yi.

Su último estudio presenta una ventana de dos vías. Descrito en 2021 en Science, el equipo de Yi creó una ventana, con revestimientos de eficiencia energética y VO2, que bloquea la entrada de luz infrarroja llena de calor en los edificios mientras deja que el calor interior irradie, refrescando así las habitaciones en el verano. Este mecanismo se invierte en el invierno a medida que las temperaturas se vuelven más frías: los materiales dejan entrar la luz y evitan que el calor interior se irradie. En comparación con los revestimientos de vidrio comerciales actuales y energéticamente eficientes, esta nueva tecnología podría ahorrar hasta un 15 por ciento en el consumo de energía, dice Yi.

Los investigadores están desarrollando ventanas inteligentes que bloquean la entrada de luz infrarroja cercana cargada de calor en verano y permiten que el calor se irradie (izquierda); en invierno, estas ventanas dejan entrar la luz infrarroja cercana y evitan que el calor interior se irradie (derecha). La luz visible llega en todas las estaciones.

CRÉDITO: S. WANG ET AL / CIENCIA 2021

Las ventanas inteligentes pueden ayudar al mundo a avanzar en el ahorro de energía, pero, como se ha visto con otras innovaciones como los autos eléctricos, el camino hacia un futuro más verde puede ser un poco accidentado.

Los altos precios de las ventanas inteligentes son obstáculos importantes para su expansión a más espacios, señala una descripción general de 2016 de los materiales de ventanas inteligentes en la Revisión anual de ingeniería química y biomolecular. Las ventanas electrocrómicas, por ejemplo, pueden ser varias veces más caras que las ventanas energéticamente eficientes debido a sus complicados sistemas de alimentación y largos procesos de instalación. Y aunque las ventanas termocrómicas son más baratas, aún cuestan más que las ventanas normales. La mayoría de los consumidores preferiría elegir la opción más económica, incluso si carecen de los beneficios energéticos de las ventanas inteligentes.

Los científicos continúan mejorando la tecnología, pero en este punto el éxito o el fracaso de las ventanas inteligentes depende en gran medida de la economía. Para que las ventanas inteligentes despeguen, sus precios deben disminuir, dice el científico de materiales e ingeniero eléctrico Carl Lampert, socio gerente de la consultora de revestimientos de ventanas Star Science. Incluir las ventanas en los programas de reembolso del gobierno, como el símbolo Energy Star para productos de bajo consumo, podría ayudar. Educar mejor a los consumidores sobre los avances emergentes, su rendimiento y el ahorro de energía también podría aumentar la demanda.

La investigación está pavimentando lentamente el camino hacia ventanas inteligentes más simples, económicas y duraderas que reducen los costos y los riesgos. Pero los consumidores pueden tener que esperar por ellos: Yi estima que pueden pasar 10 años hasta que los nuevos productos salgan de los laboratorios y entren en los mercados.

Eventualmente, tales ventanas pueden estar más extendidas, ajustándose pasivamente a los deseos de los consumidores o respondiendo a la presión de un botón, como el control remoto de un televisor, dice Lampert. Imagina un futuro en el que pueda pedir una ventana inteligente en Home Depot sin causar confusión entre los trabajadores. Y otros investigadores están de acuerdo:

"Las ventanas dinámicas son inevitables", dice Byker. "Es solo un montón de dolores de parto aquí".

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Brittney J. Miller (@BrittneyJMiller) es una periodista científica de Florida a la que le encanta escribir sobre el mundo que la rodea.

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