Los edificios típicos son estructuras estáticas, incapaces de ajustarse a las fluctuaciones dinámicas de temperatura y luz diurna. Las fachadas adaptables que responden a estas condiciones solares inestables pueden reducir sustancialmente las ineficiencias energéticas operativas, los costos de calefacción, refrigeración e iluminación interiores, así como las emisiones de gases de efecto invernadero.

Un nuevo sistema “optofluídico” de bajo coste diseñado en la Universidad de Ingeniería de Toronto podría permitir a los edificios ahorrar energía cambiando dinámicamente el aspecto de sus exteriores. Los investigadores, inspirados en la respuesta dinámica de sombreado de determinados organismos marinos que dispersan pigmentos dentro de su piel, demostraron un mecanismo de sombreado de bajo coste y gran área, que utiliza inyecciones de fluidos reversibles para ajustar la transmisión óptica.

Los fluidos pigmentados con morfologías sintonizables se inyectan y retiran de forma reversible de las capas confinadas, logrando un sombreado localmente ajustable y una exposición solar interior. Las reconfiguraciones fluídicas pueden encontrar estados óptimos a lo largo del tiempo para reducir la energía de calefacción, refrigeración e iluminación en los modelos en más de un 30 % en comparación con las tecnologías electrocrómicas actuales disponibles. 

Estos resultados demostrarían que las fachadas de edificios con sombreado fluídico adaptativo y reversible pueden lograr mejoras significativas en relación con su eficiencia energética y ser una solución con un gran potencial de desarrollo en el futuro. 

Inspiración biológica para un sombreado activo

Los organismos biológicos han desarrollado una amplia colección de controles regulatorios dinámicos para mantener un equilibrio con su entorno. Un ejemplo notable de ello es el Krill, un organismo marino parecido a las gambas, que puede cambiar activamente de color en cuestión de minutos dependiendo de la luz solar para la protección ultravioleta.

El krill es transparente, lo que significa que la luz ultravioleta puede dañar sus órganos internos. Así, al igual que varios decápodos, el krill almacena y dispersa un pigmento por todas las células dentro de su piel, desarrollando un sistema de sombreado dinámico, que hace que los gránulos de pigmentos de las células de su piel se oscurecen cuando hay demasiada luz y se aclaren cuando el sol se va. 

Los edificios, por el contrario, generalmente no están equipados para lograr respuestas de sombreado solar adaptativas, construidos con fachadas exteriores estáticas, a pesar de operar dentro de regímenes de temperatura y luz muy variables. Un rascacielos en un clima estacional típico, por ejemplo, podría experimentar fluctuaciones en la radiación solar de casi 0 a unos asombrosos 800 W/m2 en un día.

A pesar de este impacto potencial, el sombreado activo en los edificios ha sido difícil de lograr. Una fachada de edificio ópticamente activa ideal debe ser sensible localmente (maximizar la transmisión de luz, pero limitar el deslumbramiento), controlable digitalmente (optimizar las propiedades del material y la configuración del edificio), de bajo costo y escalable en grandes áreas, al tiempo que energéticamente eficiente de operar. 

Actualmente, muchos edificios solo logran el sombreado a través de persianas mecánicas manuales a gran escala o en el mejor de los casos a través de sistemas de sombreamiento motorizados que permiten su variación a lo largo del día. Estos sistemas son caros y en muchos casos difíciles de operar para conseguir optimizar al máximo su posibilidad de ahorro. También se han desarrollado ciertos materiales inteligentes para el sombreado activo, pero tienen limitaciones prácticas. Los sistemas electrocrómicos, por ejemplo, que utilizan reacciones redox químicas para controlar la transmisión óptica, son caros, complejos de fabricar y típicamente dependen de procesos de deposición de pulverización catódica intensiva en energía, restringiendo la viabilidad del mercado. Por otro lado, los sistemas cromogénicos más experimentales que utilizan cristales líquidos eléctricamente reorientables y partículas en suspensión, así como los polímeros activos que aprovechan las accionamientos de elastómeros dieléctricos, requieren un suministro continuo de energía para mantener un estado blanqueado.

“Casi todos estos sistemas son caros, dependen de complicados procedimientos de fabricación o sólo pueden cambiar entre una gama limitada de opacidades, por ejemplo, de muy oscuro a sólo algo oscuro. También es difícil conseguir gradaciones espaciales finas, como el sombreado de una parte de una ventana pero no de otra”, explica el investigador de la Universidad de Toronto, y autor del paper de investigación, Raphael Kay.

Por el contrario, los organismos biológicos a menudo aprovechan los mecanismos de fluidos y materiales blandos a escala de tejido para regular las propiedades interfaciales dentro de entornos en evolución. En condiciones de poca luz, el krill almacena pigmentos en un depósito central dentro de las células cromatóforas. Bajo una intensa exposición a la luz, luego propagan rápidamente (<20 min) el pigmento a través de los microtúbulos que ramifican radialmente del cromóforo, expandiendo el diámetro de la cobertura del pigmento de <100 μm dentro del depósito a >500 μm cuando se expanden a través de la célula. En conjunto, esta cobertura extendida de pigmentos cambia significativamente la apariencia óptica de la piel, requiriendo solo se un pequeño volumen de pigmento para sombrear de forma activa y eficiente una gran región de superficie, expandiéndose de un punto (depósito) a un área.

Los investigadores, inspirados en esta respuesta dinámica de sombreado de pigmentos del krill,  demostraron un mecanismo de sombreado de bajo costo y gran área, aprovechando la redistribución reversible del pigmento de un depósito 1D a un área 2D, mientras se organizan en células independientes dentro de una matriz. 

Los resultados de la investigación, publicados recientemente en Nature Communications, muestran cómo los fluidos que contienen pigmentos, confinados dentro de dispositivos en capas, se pueden inyectar y extraer para controlar el color y el sombreado, la intensidad de la luz interior y la temperatura, longrando conceptualizar una interfaz de construcción de gran área que puede detectar y reaccionar de manera diferencial a las condiciones óptimas locales.

Fachadas con sombreado fluídico adaptativo

El prototipo de células optofluídicas consiste en una capa de aceite mineral de aproximadamente un milímetro de grosor, intercalada entre dos láminas transparentes de plástico. A través de un tubo conectado al centro de la célula, los investigadores pueden inyectar una pequeña cantidad de agua que contiene un pigmento o colorante. 

La inyección de este «fluido invitado» de agua crea una floración de color, que puede controlarse mediante una bomba digital que funciona en ambas direcciones. Si se añade más agua, el florecimiento aumenta, mientras que si se quita, se reduce. La forma de la floración puede controlarse mediante el caudal de la bomba: los caudales bajos dan lugar a una floración más o menos circular, mientras que los más altos dan lugar a intrincados patrones de ramificación.

“Es muy versátil: no sólo podemos controlar el tamaño y la forma del agua en cada célula, sino que también podemos afinar las propiedades químicas y ópticas del tinte en el agua. Puede tener el color o la opacidad que queramos”. explica el profesor de la Universidad de Toronto, Ben Hatton, encargado de supervisar la investigación.

Debido a que las propiedades y funciones ópticas de los fluidos se pueden ajustar fácilmente, se puede aprovechar la expansión de fluidos conmutable para controlar una gama de respuestas más allá del sombreado opaco binario, por ejemplo, la dispersión de la luz programable direccionalmente, la polarización y la absorción espectralmente selectiva de la luz IR (esto desvincularía de manera crucial el control de la luz diurna y la ganancia de calor en interiores, que es otro desafío fundamental en el diseño de edificios)

Además, el control dinámico sobre múltiples células fluídicas permite una respuesta de sombreado altamente localizadas y programables digitalmente. El control digital garantiza de manera importante que se pueda optimizar toda una respuesta del edificio para obtener la máxima eficiencia energética en diversas condiciones ambientales horarias, diurnas y estacionales.

Además del desarrollo de los prototipos, el equipo trabajó con tan Jakubiec, de la Facultad de Arquitectura Daniels, para construir modelos informáticos que simularan cómo se compararía un sistema totalmente automatizado y optimizado que utilizara estas células con otro que empleara persianas motorizadas o ventanas electrocrómicas.

Se demostró que las reconfiguraciones de fluidos en los pasos de tiempo por hora podrían lograr mejoras masivas en el rendimiento, ahorrando más del 30 % en energía anual de calefacción, refrigeración e iluminación en comparación con una ventana electrocrómica de última generación.

“Con este control fluídico establecido, imaginamos que los algoritmos de inteligencia artificial pueden recopilar, procesar y actuar sobre grandes cantidades de datos ambientales localizados, mejorando aún más drásticamente la gestión del sistema y la eficiencia energética. En última instancia, existe un gran potencial de sombreado activo controlado digitalmente para permitir que la próxima generación de edificios aprenda, con implicaciones fundamentales para una arquitectura que se diseña y rediseña a sí misma”, concluyen los investigadores en el Paper. 

Créditos de imágenes:  Decapod-inspired pigment modulation for active building facades, Nature Communications, Julio 2022Nature Communications (Nat Commun)  ISSN 2041-1723 (online)