Los ultrasonidos impulsan el desarrollo de materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía

A medida que aumenta la demanda mundial de una gestión eficiente de la energía, los materiales de cambio de fase (PCM) están ganando atención como una solución de gran eficacia para el almacenamiento de energía térmica. Estos materiales pueden absorber y liberar grandes cantidades de calor durante la fusión y la solidificación, lo que los hace valiosos para aplicaciones que van desde la climatización de edificios hasta la refrigeración de baterías y los sistemas de energías renovables.
Sin embargo, pese a sus prometedoras propiedades, muchos PCM presentan dificultades prácticas que limitan su uso generalizado. Investigadores e ingenieros recurren cada vez más al procesamiento por ultrasonidos de alta potencia –también conocido como sonicación– para superar estos obstáculos y aprovechar todo el potencial de los materiales de cambio de fase.
El procesamiento por ultrasonidos permite crear PCM mejorados con nanomateriales y PCM nanoencapsulados, mejora la estabilidad de las dispersiones y ayuda a optimizar el rendimiento térmico. Por ello, la sonicación se está consolidando como una de las tecnologías más eficaces para producir sistemas avanzados de PCM.

Homogeneizador ultrasónico UIP2000hdT para el procesamiento de PCM

Por qué son importantes los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía

Los materiales de cambio de fase almacenan energía en forma de calor latente, que se absorbe durante la fusión y se libera cuando el material se solidifica. A diferencia de los materiales convencionales, que almacenan calor únicamente mediante cambios de temperatura, los PCM pueden almacenar y liberar grandes cantidades de energía a temperaturas prácticamente constantes.
Esta propiedad los hace muy atractivos para los sistemas de gestión térmica. En los edificios, los PCM pueden regular las temperaturas interiores absorbiendo el exceso de calor durante el día y liberándolo cuando las temperaturas descienden. En los sistemas de energías renovables, ayudan a almacenar la energía térmica de los colectores solares. También se utilizan cada vez más en la refrigeración de dispositivos electrónicos, la gestión térmica de baterías y el transporte a temperatura controlada.
Las sales hidratadas y los materiales orgánicos se encuentran entre los PCM más estudiados. Por ejemplo, la sal de Glauber (sulfato de sodio decahidratado) ha despertado un interés considerable por su elevada entalpía de fusión y su adecuada temperatura de transición de fase. Estas características le permiten almacenar cantidades importantes de energía térmica de manera eficiente.
Sin embargo, muchos sistemas de PCM presentan problemas de estabilidad que deben resolverse antes de que puedan adoptarse de forma generalizada.

Las dificultades persistentes de los PCM convencionales

Aunque los materiales de cambio de fase pueden almacenar grandes cantidades de energía, su rendimiento práctico suele depender de la estabilidad que mantiene el material durante ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento. Muchos PCM presentan segregación de fases, subenfriamiento y una baja estabilidad de la dispersión, fenómenos que pueden deteriorar el rendimiento térmico con el tiempo.
En los sistemas de sales hidratadas, como la sal de Glauber, estos problemas son especialmente acusados. La segregación de fases puede producirse cuando distintos componentes se separan durante la fusión, mientras que el subenfriamiento puede impedir que el material cristalice a la temperatura prevista. Esto retrasa la liberación de calor y reduce la eficiencia del sistema.
Otro problema habitual es la formación de agregados al incorporar aditivos o nanopartículas a las formulaciones de PCM. Los métodos convencionales de mezclado a menudo no consiguen dispersar las partículas uniformemente, lo que da lugar a dispersiones inestables y a un comportamiento térmico poco uniforme.
Para resolver estas limitaciones, los investigadores recurren cada vez más al procesamiento por ultrasonidos, que ofrece un método muy eficaz para dispersar materiales a escala micrométrica y nanométrica.
 

Cómo mejora la sonicación la formulación de PCM

La sonicación se basa en el fenómeno de la cavitación acústica, que se produce cuando ondas ultrasónicas de alta intensidad se propagan por un líquido. Estas ondas generan burbujas microscópicas que colapsan rápidamente, creando zonas localizadas con temperaturas, presiones y fuerzas de cizallamiento extremas.
Este proceso genera condiciones de mezclado intenso que no pueden alcanzarse con la agitación mecánica tradicional. Como resultado, la sonicación puede disgregar aglomerados de partículas, reducir el tamaño de las partículas y distribuir los aditivos uniformemente por toda la matriz del PCM.
La investigación experimental sobre dispersiones de PCM demuestra que el mezclado ultrasónico produce agregados significativamente más pequeños y mezclas más homogéneas que la agitación magnética, lo que mejora la estabilidad y la reproducibilidad.
Estas mejoras influyen directamente en el rendimiento térmico, ya que una dispersión homogénea garantiza que el cambio de fase se produzca de manera uniforme en todo el material.

Por qué mejora la sonicación la estabilidad de los PCM

Las investigaciones demuestran que la metodología de mezclado desempeña un papel crucial en el rendimiento de los PCM.
Por ejemplo, los experimentos con dispersiones de PCM de sales hidratadas demostraron que el mezclado ultrasónico mejoraba la homogeneidad y la estabilidad en comparación con los métodos tradicionales de mezclado

El procesamiento por ultrasonidos mejora los sistemas de PCM mediante varios mecanismos:

1. Menor tamaño de partícula
   Las fuerzas de cavitación fragmentan los cristales o agregados grandes en partículas finas.
2. Mayor uniformidad de la dispersión
   Los ultrasonidos garantizan una distribución uniforme de aditivos como los agentes nucleantes y los espesantes.
3. Menor sedimentación
   Las partículas más finas permanecen en suspensión durante más tiempo.
4. Mejor rendimiento térmico
   Los sistemas homogéneos presentan transiciones de fase más uniformes y un mayor almacenamiento efectivo de calor.

Materiales de cambio de fase mejorados con nanomateriales: mejora de la conductividad térmica

Uno de los avances más prometedores en la investigación de PCM es la aparición de materiales de cambio de fase mejorados con nanomateriales (NePCMs). En estos sistemas, se incorporan nanopartículas a la matriz del PCM para mejorar la conductividad térmica y acelerar la transferencia de calor.
Los nanomateriales como el grafeno, los nanotubos de carbono y los óxidos metálicos pueden mejorar significativamente las tasas de transferencia de calor. Sin embargo, las nanopartículas tienden a aglomerarse debido a las fuertes fuerzas de atracción entre partículas. Si estos aglomerados no se dispersan adecuadamente, no pueden alcanzarse las mejoras previstas en la conductividad térmica.
El procesamiento por ultrasonidos desempeña aquí un papel crucial. Las intensas fuerzas de cavitación generadas por la sonicación disgregan los aglomerados de nanopartículas y las distribuyen uniformemente por todo el PCM. Los PCM mejorados con nanomateriales resultantes absorben y liberan calor más rápidamente, lo que los hace mucho más eficientes para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica.

Nanoencapsulación: prevención de fugas y mejora de la durabilidad

Otra innovación importante que posibilita el procesamiento por ultrasonidos es la nanoencapsulación de materiales de cambio de fase.
En los PCM nanoencapsulados, el material de cambio de fase queda encerrado en una cubierta protectora –a menudo fabricada con polímeros, sílice o materiales híbridos–. Esta cubierta evita las fugas cuando el PCM se funde y protege el material frente a la degradación química.
La sonicación permite producir emulsiones extremadamente finas que sirven como base para microcápsulas y nanocápsulas. El proceso genera gotas uniformes que posteriormente forman el núcleo de PCM, mientras que los materiales de la cubierta polimerizan o se condensan a su alrededor. Las cápsulas resultantes presentan distribuciones estrechas de tamaño y una mayor estabilidad mecánica.
Estos PCM encapsulados se utilizan cada vez más en aplicaciones avanzadas, como textiles inteligentes, recubrimientos, refrigeración de dispositivos electrónicos y sistemas de gestión térmica.

La cera de parafina como PCM: un ejemplo práctico de sonicación

Los materiales orgánicos de cambio de fase, como la cera de parafina, se utilizan ampliamente por su estabilidad química, su carácter no corrosivo y sus temperaturas de fusión favorables. Los PCM a base de parafina se emplean habitualmente en materiales de construcción, sistemas solares térmicos y tecnologías de regulación térmica.
Sin embargo, la cera de parafina también presenta una conductividad térmica relativamente baja y puede formar gotas o agregados grandes cuando se incorpora a emulsiones o materiales compuestos. La sonicación ofrece una solución de gran eficacia para estas dificultades.
Cuando la cera de parafina se procesa con ultrasonidos de alta potencia, las fuerzas de cavitación fragmentan la cera fundida en gotas extremadamente finas, creando emulsiones o dispersiones estables. Esto permite distribuir la cera uniformemente en un fluido portador o una matriz polimérica. Las formulaciones de PCM resultantes presentan mejores propiedades de transferencia de calor y una mayor estabilidad durante ciclos repetidos de cambio de fase.
El procesamiento por ultrasonidos también se utiliza ampliamente para producir microcápsulas de parafina, en las que las gotas de cera fundida se encapsulan en cubiertas poliméricas. Estas cápsulas evitan las fugas durante la fusión y permiten integrar los PCM de parafina en materiales de construcción, recubrimientos o textiles.

Por qué los sonicadores Hielscher son ideales para el procesamiento de PCM

Los equipos de ultrasonidos de alta potencia son esenciales para alcanzar la calidad de dispersión que requieren las formulaciones avanzadas de PCM. Hielscher Ultrasonics se ha convertido en un proveedor líder de procesadores ultrasónicos tanto para laboratorios de investigación como para la fabricación industrial.
Los sistemas Hielscher proporcionan un control preciso de la amplitud ultrasónica, la potencia suministrada y el tiempo de procesamiento, lo que permite a los investigadores ajustar con precisión las formulaciones de PCM con una reproducibilidad excepcional. Sus procesadores ultrasónicos generan campos de cavitación intensos y uniformes, lo que garantiza una reducción eficiente del tamaño de partícula, así como una desaglomeración y homogeneización eficientes.
Otra ventaja clave de la tecnología Hielscher es su escalabilidad. Los procesos desarrollados en sistemas de laboratorio pueden transferirse directamente a reactores ultrasónicos industriales, lo que permite a los fabricantes pasar de la experimentación a pequeña escala a la producción comercial sin modificar los parámetros fundamentales del proceso.
Los procesadores ultrasónicos Hielscher ya se han utilizado en estudios científicos para preparar dispersiones de PCM, demostrando su eficacia para producir mezclas homogéneas y reducir los agregados de partículas.

Avances en el desarrollo de PCM mediante sonicación

A medida que evolucionan los sistemas energéticos y crece la demanda de almacenamiento térmico eficiente, los materiales avanzados de cambio de fase desempeñarán un papel cada vez más importante. El rendimiento de estos materiales depende tanto de su composición química como de los métodos utilizados para prepararlos y procesarlos.
El procesamiento por ultrasonidos proporciona una herramienta potente y versátil para controlar la microestructura de los sistemas de PCM. Al permitir dispersiones uniformes, la integración de nanopartículas y la nanoencapsulación, la sonicación ayuda a superar muchas de las limitaciones que tradicionalmente han dificultado el desarrollo de las tecnologías de PCM.

El procesamiento por ultrasonidos se está convirtiendo rápidamente en una tecnología facilitadora clave para los PCM de próxima generación, entre ellos:

• PCM mejorados con nanomateriales
• PCM nanoencapsulados
• Materiales compuestos de PCM de alta conductividad
• Emulsiones y dispersiones estables de PCM

Los sonicadores Hielscher de alto rendimiento y calidad industrial permiten un escalado lineal hasta la producción a gran escala –transformando así los materiales de cambio de fase, de prometedores materiales de laboratorio en soluciones fiables para el almacenamiento de energía y la gestión térmica modernos–.

Bibliografía / Referencias

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.