En un nuevo estudio realizado por la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST), un equipo de científicos ha demostrado que los nanomateriales tienen el potencial de transformar radicalmente la tecnología de iluminación LED, reduciendo significativamente las emisiones de carbono asociadas.
Desarrollando un avanzado nanomaterial llamado nanoPE, los investigadores han conseguido potenciar la emisión de radiación térmica de los LEDs a través de una nueva estrategia de enfriamiento radiativo. Este avance conlleva una disminución notable en la temperatura operativa de estos dispositivos, resultando en una mejora sustancial en términos de eficiencia energética y prolongación de su vida útil.
“Nuestro diseño mejora significativamente la refrigeración del LED mientras mantiene una alta eficiencia de emisión de luz, lo que lo convierte en una solución prometedora para un futuro aún más sostenible de la iluminación con tecnología LED”, explica el Dr. Hussam Qasem, Gerente General del Future Energy Technologies Institute de KACST y colaborador del estudio.
Refrigeración radiativa para el alumbrado LED
La gestión térmica es un desafío crítico para los diodos emisores de luz (LED), ya que la disipación de calor inadecuada reduce la eficiencia luminosa y acorta la vida útil de los dispositivos. Por tanto, el desarrollo de estrategias de refrigeración más efectivas pueden mejorar de forma significativa la eficiencia y rendimiento de estos LEDs, especialmente en aplicaciones de alumbrado exterior.
Esta nueva investigación, ha abordado este problema con un nuevo enfoque y más innovador que la gestión térmica optoelectrónica, a través de una nueva estrategia de enfriamiento radiativo orientado hacia el cielo para farolas LED de alumbrado exterior.
Las farolas LED de alumbrado exterior tradicionales enfrentan una limitación significativa para aprovechar todo el potencial del enfriamiento radiativo: no pueden utilizar eficazmente el cielo frío para el enfriamiento radiativo de sus componentes debido a que su iluminación está orientada hacia el suelo y sus cubiertas son térmicamente opacas, bloqueando la radiación térmica emitida por el chip LED. Ante este desafío, los investigadores han propuesto un diseño innovador de farola LED que aprovecha el cielo frío como un sumidero de refrigeración radiativa.
En este nuevo diseño, la luz emitida por el chip LED se dirige hacia arriba, hacia el cielo, en lugar de hacia el suelo. Para optimizar el enfriamiento radiativo, se emplea una cubierta compuesta de un material nanoporoso (nanoPE) que es transparente a la radiación infrarroja mientras refleja la luz visible. Este enfoque no solo mejoraría la disipación de calor hacia el cielo mediante un canal de radiación térmica, sino que también contribuye a una notable reducción de la temperatura de funcionamiento de los chips LED. Simultáneamente, la nueva película de la cubierta refleja la mayor parte de la luz visible de vuelta al suelo, asegurando así una iluminación eficiente.
Los resultados obtenidos son prometedores: al emplear nanoPE como revestimiento en las luces LED, se ha logrado una reducción de la temperatura de 7,8 °C en entornos de laboratorio controlados y de 4,4 °C en condiciones exteriores. Estas disminuciones de temperatura se acompañaron de incrementos en la eficiencia lumínica del 5 % y 4 %, respectivamente.
Esto se conseguiría por las propiedades únicas del nanoPE. Este material, basado en polietileno, ha sido ingeniosamente modificado para cumplir funciones específicas en el manejo de la luz. Mediante el ajuste meticuloso de la porosidad y el tamaño de los poros, tanto a nanoescala como a microescala, dentro de películas de polietileno transparente intrínsecamente en el rango de infrarrojo medio (MIR), se logra una configuración óptima de sus características de dispersión óptica. Estas películas están diseñadas para reflejar más del 95% de la luz visible, mientras mantienen una transparencia superior al 80% en el espectro de la radiación térmica. Esta selectividad espectral permite un enfriamiento eficiente dirigido directamente hacia el cielo, optimizando así la funcionalidad de las farolas LED en términos de manejo térmico y eficiencia lumínica.
Además, y con el objetivo de que la solución esté alineada con las regulaciones mundiales sobre contaminación lumínica, se investigó las propiedades de transmisión óptica y térmica de las películas de nanoPE en diferentes espesores. Los resultados que encontraron, muestran que un espesor de 195 µm reduce la transmisión óptica al 3,1 % mientras se mantiene una alta transmisión térmica al 70 %. A 360 µm, la transmisión óptica está casi bloqueada, con una transmisión térmica disminuyendo al 55%. Por tanto, para mitigar la transmisión de luz ascendente y prevenir la contaminación lumínica, se utilizó un chip LED con un CCT de 3000 K, combinado con una película de nanoPE de 360 μm de espesor, para realizar los ensayos en el exterior.
En conclusión, este estudio demuestra cómo la refrigeración radiativa orientada al cielo puede ser aplicada al alumbrado exterior gracias al uso de nanomateriales con propiedades especiales como en nanoPE. Este innovador enfoque puede ser un potencial campo de desarrollo para el diseño de nuevas soluciones de alumbrado LED más eficientes y resilientes.
Puede acceder al paper completo de la investigación a través del siguiente enlace:
https://www.nature.com/articles/s41377-024-01724-7
Créditos de imagen de portada: Ivan Gromicho
