Inspirándose en las venas de las orejas de los conejos de orejas largas y los elefantes, investigadores de la Universidad Drexel han propuesto un nuevo método pasivo de calefacción y refrigeración que podría mejorar la eficiencia energética de los futuros edificios. El concepto, recientemente publicado en la Journal of Building Engineering, consiste en incrustar una red vascular en materiales de construcción a base de cemento, que, una vez llena con materiales a base de parafina, puede regular pasivamente la temperatura de las superficies de paredes, suelos y techos.

La demanda energética de los edificios representa casi el 40% de todo el consumo de energía y contribuye significativamente a los gases de efecto invernadero. Aproximadamente la mitad de esa energía se utiliza para mantener temperaturas confortables. Aunque nuevos productos y tecnologías de aislamiento ayudan a reforzar partes de los edificios, la retención o disipación del calor en estas superficies sigue siendo el mayor desafío, representando alrededor del 63% de la pérdida de energía en los edificios. Rhythm Osan, coautor del estudio y estudiante de pregrado de la Facultad de Ingeniería, señala que, desde una perspectiva arquitectónica, las ventanas, aunque estéticamente agradables, reducen el rendimiento del aislamiento, y en la práctica, los edificios siempre pierden calor por diversas razones.

El equipo de Drexel diseñó un método para que las superficies de los edificios ayuden a mantener la temperatura interior. El Dr. Amir Farnam, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería e investigador principal, explica que el sistema circulatorio humano regula la temperatura corporal de manera muy eficiente, y su objetivo era replicar este proceso en los materiales de construcción.

El Laboratorio de Materiales de Infraestructura Avanzada (AIM) del Dr. Farnam es líder en el uso de enfoques naturales para mejorar la durabilidad de los materiales de infraestructura. Anteriormente, han desarrollado hormigón que utiliza materiales de cambio de fase para derretir hielo y nieve de las superficies, hormigón autorreparable que utiliza bacterias especiales y polímeros impresos en 3D para reforzar estructuras de hormigón.

Para crear materiales de construcción termorresponsivos, el equipo se inspiró en varios intentos anteriores, utilizando una matriz de polímero impresa para crear una red de canales en la superficie del hormigón, que luego se llenan con material a base de parafina. Los materiales de cambio de fase (PCM), como la parafina, absorben y liberan energía térmica al cambiar entre estados líquido y sólido. Al enfriarse y solidificarse, liberan calor; al calentarse y licuarse, absorben calor, enfriando la superficie. El Dr. Robin Deb, científico investigador del laboratorio AIM y coautor del estudio, menciona que previamente habían trabajado con hormigón autocalentable utilizando materiales a base de parafina. Para este estudio, eligieron un PCM con un punto de fusión alrededor de 18°C para probar su eficacia en climas fríos, aunque el sistema también podría adaptarse para climas más cálidos.

El equipo creó una serie de muestras de cemento con diferentes patrones de canales vasculares, utilizando plantillas de polímero soluble o "sacrificial". Los patrones incluían desde canales simples hasta múltiples, con espesores que variaban entre 3 y 8 mm. Se probó el comportamiento mecánico de cada muestra, así como su capacidad para ralentizar el calentamiento y enfriamiento de la superficie cuando los canales estaban llenos de PCM.

Los resultados mostraron que las muestras con una estructura de canales en patrón de diamante combinaban de manera más efectiva resistencia y regulación térmica. Mantuvieron su integridad estructural bajo pruebas de tracción y compresión, y también ralentizaron la velocidad de calentamiento y enfriamiento de la superficie (entre 1 y 1.25°C por hora). El Dr. Deb señala que un mayor área de superficie vascular mejora el rendimiento térmico, de manera similar a la fisiología de las orejas de elefantes y conejos de orejas largas.

Para aumentar la resistencia del material, el grupo de investigación demostró que agregar materiales de agregado fino al cemento mejora la durabilidad sin afectar la capacidad del sistema vascular para hacer circular el PCM.

El Dr. Farnam afirma que, aunque el estudio buscaba validar el concepto, los resultados son prometedores. No solo demuestran la eficacia del método para regular la temperatura superficial en materiales a base de cemento, sino que también indican que es un método de producción simple y rentable, con el potencial de contribuir significativamente a mejorar la eficiencia energética de los edificios. En el futuro, el equipo probará diferentes PCM y configuraciones de canales en muestras más grandes de material de cemento, bajo una gama más amplia de temperaturas ambientales y durante períodos más largos.