Enfriamiento radiativo

Intensidad de radiación térmica de onda larga de la Tierra, desde nubes, atmósfera y superficie.

En el estudio de la transferencia de calor, el enfriamiento por radiación es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica. Como describe la ley de Planck, todo cuerpo físico emite espontánea y continuamente radiación electromagnética.

El enfriamiento radiativo se ha aplicado en varios contextos a lo largo de la historia humana, incluida la fabricación de hielo en India e Irán, escudos térmicos para naves espaciales y en la arquitectura. En 2014, un avance científico en el uso de metamateriales fotónicos hizo posible el enfriamiento radiativo diurno. Desde entonces, se ha propuesto como una estrategia para mitigar el calentamiento local y global causado por las emisiones de gases de efecto invernadero, conocido como enfriamiento radiativo diurno pasivo.

Enfriamiento radiativo terrestre

Mecanismo

La radiación infrarroja puede pasar a través del aire claro y seco en un rango de longitud de onda de 8 a 13 µm. Los materiales que pueden absorber energía e irradiarla en esas longitudes de onda exhiben un fuerte efecto de enfriamiento. Los materiales que también pueden reflejar el 95 % o más de la luz solar en el rango de 200 nanómetros a 2,5 µm pueden mostrar enfriamiento incluso bajo la luz solar directa.

Presupuesto energético de la Tierra

El sistema Tierra-atmósfera utiliza el enfriamiento radiativo para emitir radiación de onda larga (infrarroja) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (luz visible) del sol.

El transporte de calor por convección y el transporte de calor latente por evaporación son importantes para eliminar el calor de la superficie y distribuirlo en la atmósfera. El transporte radiativo puro es más importante más arriba en la atmósfera. La variación diurna y geográfica complica aún más el panorama.

La circulación a gran escala de la atmósfera terrestre está impulsada por la diferencia en la radiación solar absorbida por metro cuadrado, ya que el sol calienta más la Tierra en los trópicos, principalmente debido a factores geométricos. La circulación atmosférica y oceánica redistribuye parte de esta energía como calor sensible y calor latente en parte a través del flujo medio y en parte a través de remolinos, conocidos como ciclones en la atmósfera. Así, los trópicos irradian menos al espacio de lo que harían si no hubiera circulación, y los polos irradian más; sin embargo, en términos absolutos, los trópicos irradian más energía al espacio.

Refrigeración superficial nocturna

El enfriamiento por radiación suele experimentarse en noches sin nubes, cuando el calor se irradia hacia el espacio exterior desde la superficie de la Tierra o desde la piel de un observador humano. El efecto es bien conocido entre los astrónomos aficionados.

El efecto se puede experimentar comparando la temperatura de la piel al mirar hacia arriba en un cielo nocturno sin nubes durante varios segundos, con la que se obtiene después de colocar una hoja de papel entre la cara y el cielo. Dado que el espacio exterior irradia a una temperatura de aproximadamente 3 K (−270,15 °C; −454,27 °F), y la hoja de papel irradia a aproximadamente 300 K (27 °C; 80 °F) (alrededor de la temperatura ambiente), la hoja de papel irradia más calor a la cara que el cosmos oscurecido. El efecto se ve mitigado por la atmósfera que rodea a la Tierra y, en particular, por el vapor de agua que contiene, por lo que la temperatura aparente del cielo es mucho más cálida que la del espacio exterior. La sábana no bloquea el frío, sino que refleja el calor hacia la cara e irradia el calor de la cara que acaba de absorber.

El mismo mecanismo de enfriamiento radiativo puede hacer que se forme escarcha o hielo negro en las superficies expuestas al cielo nocturno despejado, incluso cuando la temperatura ambiente no desciende por debajo del punto de congelación.

Estimación de Kelvin de la edad de la Tierra

El término enfriamiento radiativo generalmente se usa para procesos locales, aunque los mismos principios se aplican al enfriamiento a lo largo del tiempo geológico, que fue utilizado por primera vez por Kelvin para estimar la edad de la Tierra (aunque su estimación ignoró el calor sustancial liberado por la desintegración de radioisótopos, desconocido en ese momento, y los efectos de la convección en el manto).

Astronomía

El enfriamiento radiativo es una de las pocas formas en que un objeto en el espacio puede emitir energía. En particular, las estrellas enanas blancas ya no generan energía por fusión o contracción gravitacional y no tienen viento solar. Entonces, la única forma en que su temperatura cambia es por enfriamiento radiativo. Esto hace que su temperatura sea muy predecible en función de la edad, por lo que al observar la temperatura, los astrónomos pueden deducir la edad de la estrella.

Aplicaciones

Cambio climático

Las tecnologías de refrigeración radiativa pasivas utilizan la ventana infrarroja de 8–13 μm para irradiar calor en el espacio exterior e impedir la absorción solar.

La aplicación generalizada de tecnologías de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) que utilizan la ventana infrarroja (8–13 µm) para disipar el calor a través de la transferencia de calor de radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) con el espacio exterior, se ha propuesto como un método para reducir los aumentos de temperatura. causado por el cambio climático. La instalación de tecnologías pasivas de emisión de calor por radiación se ha propuesto como necesaria para reducir la temperatura de la Tierra a un ritmo lo suficientemente rápido para la supervivencia humana. Munday resumió la implementación global de dichas tecnologías:

Actualmente la Tierra está absorbiendo más que emite, lo que conduce a un calentamiento global del clima. Al cubrir la Tierra con una pequeña fracción de materiales que emiten térmicamente, el flujo de calor lejos de la Tierra puede aumentarse, y el flujo radiativo neto puede reducirse a cero (o incluso negativo), estabilizando (o enfriando) la Tierra (...) Si sólo el 1%–2% de la superficie de la Tierra se hiciera irradiar a este ritmo en lugar de su valor promedio actual, el calor total fluctuaba hacia y lejos de toda la Tierra sería equilibrado y el calentamiento cesaría.

Los PDRC imitan el proceso natural de enfriamiento radiativo, en el que la Tierra se enfría liberando calor al espacio exterior (el balance energético de la Tierra), aunque durante el día, la temperatura ambiente baja bajo la intensidad solar directa. En un día despejado, la radiación solar puede alcanzar los 1000 W/m² con una componente difusa entre 50-100 W/m². El PDRC promedio tiene una potencia de enfriamiento estimada de ~100-150 W/m². La potencia frigorífica de los PDRC es proporcional a la superficie expuesta de la instalación.

Arquitectura

Los diferentes materiales de techo absorben más o menos calor. Un albedo superior de techo, o el más blanco de un techo, el mayor su reflectancia solar y la emisión de calor, que puede reducir el uso de energía y los costos.

Los techos fríos combinan una alta reflectancia solar con una alta emisión de infrarrojos, lo que reduce simultáneamente la ganancia de calor del sol y aumenta la eliminación de calor a través de la radiación. Por lo tanto, el enfriamiento radiativo ofrece potencial para el enfriamiento pasivo de edificios residenciales y comerciales. Las superficies de construcción tradicionales, como los revestimientos de pintura, el ladrillo y el hormigón, tienen altas emitancias de hasta 0,96. Irradian calor hacia el cielo para enfriar pasivamente los edificios por la noche. Si se hacen lo suficientemente reflectantes para la luz solar, estos materiales también pueden lograr un enfriamiento radiativo durante el día.

Los enfriadores radiativos más comunes que se encuentran en los edificios son los revestimientos de pintura blanca para techos fríos, que tienen reflectancias solares de hasta 0,94 y emitancias térmicas de hasta 0,96. La reflectancia solar de las pinturas surge de la dispersión óptica de los pigmentos dieléctricos incrustados en la resina de pintura polimérica, mientras que la emitancia térmica surge de la resina polimérica. Sin embargo, debido a que los pigmentos blancos típicos como el dióxido de titanio y el óxido de zinc absorben la radiación ultravioleta, las reflectancias solares de las pinturas basadas en dichos pigmentos no superan el 0,95.

En 2014, los investigadores desarrollaron el primer enfriador radiativo diurno utilizando una estructura fotónica térmica multicapa que emite selectivamente radiación infrarroja de longitud de onda larga al espacio y puede lograr un enfriamiento por debajo del ambiente de 5 °C bajo la luz solar directa. Investigadores posteriores desarrollaron revestimientos poliméricos porosos que se pueden pintar, cuyos poros dispersan la luz solar para dar una reflectancia solar de 0,96-0,99 y una emitancia térmica de 0,97. En experimentos bajo la luz solar directa, los recubrimientos alcanzan temperaturas subambientales de 6 °C y potencias de enfriamiento de 96 W/m².

Otras estrategias notables de enfriamiento radiativo incluyen películas dieléctricas sobre espejos de metal y polímeros o compuestos de polímeros sobre películas de plata o aluminio. En 2015, se informaron películas de polímero plateadas con reflectancias solares de 0,97 y emitancia térmica de 0,96, que se mantienen 11 °C más frías que las pinturas blancas comerciales bajo el sol de mediados de verano. Los investigadores exploraron diseños con dióxido de silicio dieléctrico o partículas de carburo de silicio incrustadas en polímeros. que son translúcidos en las longitudes de onda solares y emisivos en el infrarrojo. En 2017, se informó un ejemplo de este diseño con microesferas de sílice polar resonante incrustadas al azar en una matriz polimérica. El material es translúcido a la luz solar y tiene una emisividad infrarroja de 0,93 en la ventana de transmisión atmosférica infrarroja. Cuando estaba respaldado con una capa de plata, el material logró una potencia de enfriamiento radiativo al mediodía de 93 W/m² bajo la luz directa del sol junto con una fabricación rollo a rollo económica y de alto rendimiento.

Escudos térmicos

Los recubrimientos de alta emisividad que facilitan el enfriamiento radiativo pueden usarse en sistemas de protección térmica reutilizables (RTPS) en naves espaciales y aeronaves hipersónicas. En dichos escudos térmicos, se aplica un material de alta emisividad, como el disiliciuro de molibdeno (MoSi₂), sobre un sustrato cerámico aislante térmico. En dichos escudos térmicos, es necesario mantener altos niveles de emisividad total, típicamente en el rango de 0,8 - 0,9, en un rango de altas temperaturas. La ley de Planck dicta que a temperaturas más altas, el pico de emisión radiativa cambia a longitudes de onda más bajas (frecuencias más altas), lo que influye en la selección de materiales en función de la temperatura de funcionamiento. Además del enfriamiento radiativo efectivo, los sistemas de protección térmica radiativa deben proporcionar tolerancia al daño y pueden incorporar funciones de autorreparación a través de la formación de un vidrio viscoso a altas temperaturas.

Telescopio espacial James Webb

El telescopio espacial James Webb utiliza enfriamiento radiativo para alcanzar su temperatura de funcionamiento de unos 50 grados K. Para ello, su gran parasol reflectante bloquea la radiación del Sol, la Tierra y la Luna. La estructura del telescopio, mantenida permanentemente a la sombra por el parasol, luego se enfría por la radiación.

Fabricación de hielo nocturna a principios de la India e Irán

Piscina de hielo junto al Meybod Yakhchāl en Irán

Antes de la invención de la tecnología de refrigeración artificial, la fabricación de hielo mediante enfriamiento nocturno era común tanto en India como en Irán.

En la India, este aparato consistía en una bandeja de cerámica poco profunda con una fina capa de agua, colocada al aire libre con una clara exposición al cielo nocturno. El fondo y los lados estaban aislados con una gruesa capa de heno. En una noche clara el agua perdería calor por radiación hacia arriba. Siempre que el aire estuviera en calma y no muy por encima del punto de congelación, la ganancia de calor del aire circundante por convección fue lo suficientemente baja como para permitir que el agua se congelara.

En Irán, esto implicaba hacer grandes piscinas de hielo planas, que consistían en un espejo de agua construido sobre un lecho de material altamente aislante rodeado de altos muros. Los altos muros brindaban protección contra el calentamiento por convección, el material aislante de las paredes de la piscina protegería contra el calentamiento por conducción desde el suelo, la gran superficie plana de agua permitiría que tuviera lugar el enfriamiento por evaporación y radiación.