Los investigadores de la Universidad de Drexel están desarrollando materiales de construcción, inspirados en la vacas que se encuentra en los oídos de elefante y JackRabbit, que pueden contribuir a la regulación térmica de eficiencia energética de los edificios. Crédito: Universidad de Drexel
Inspirándose en los oídos venosos de Jackrabbits y elefantes, los investigadores de la Universidad de Drexel han presentado un nuevo enfoque para la calefacción y enfriamiento pasivo que algún día podría hacer que los edificios sean más eficientes energéticamente. Su concepto, publicado recientemente en el Revista de ingeniería de construcciónIncrusta una red vascular dentro de los materiales de construcción a base de cemento que, cuando se llenan con material a base de parafina, pueden ayudar a regular pasivamente la temperatura de la superficie de las paredes, pisos y techos.
El enfoque es un esfuerzo para abordar la contribución sustancial de la demanda de energía del edificio.Casi el 40% de todo el uso de energía – A la producción de gases de efecto invernadero. Alrededor de la mitad del uso de energía de un edificio se gasta manteniendo una temperatura cómoda. Y si bien los nuevos productos y técnicas de aislamiento han ayudado a apuntalar paredes, ventanas y techos, estas superficies siguen siendo el mayor desafío cuando se trata de mantener o perder calor, contribuyendo a Alrededor del 63% de la pérdida de energía en edificios.
“Arquitectónicamente, parece bueno tener mucha área de ventana en un edificio, pero esto también resulta en propiedades de aislamiento disminuidas”, dijo Rhythm Osan, un estudiante universitario en la Facultad de Ingeniería que fue coautor de la investigación.
“En un mundo ideal, un edificio no perdería ningún calor, pero desde el punto de vista de la construcción realista, los problemas como el puente térmico, la fuga de aire de los conductos, el rendimiento del material y los detalles de las articulaciones siempre plantearán algo de pérdida de calor”.
Al cambiar esta realidad frustrante, el equipo de Drexel ideó una forma para que estas superficies contribuyan a mantener una temperatura interior deseada, en lugar de ser un impedimento para ello.
“Mire la forma en que nuestro sistema circulatorio se utiliza para regular la temperatura. Cuando está caliente, la sangre corre hacia la superficie: podríamos ponernos un poco de rojo en la cara y comenzar a sudar a través de nuestras glándulas y esto nos enfría a través de un proceso de cambio de fase: la evaporación de Sweat”, dijo Amir Farnam, Ph.D., un profesor asociado en la universidad de Drexel de Ingeniería que fue líder de la investigación. “Este es un proceso muy efectivo y natural que queríamos replicarlo en materiales de construcción”.
Reconstrucción de escaneo de rayos X 3D de materiales de construcción vasculares creados por investigadores de la Universidad de Drexel. Crédito: Universidad de Drexel
El laboratorio de Infraestructura Avanzada de Farnam (AIM) es un líder en investigación centrado en métodos inspirados en la naturaleza para hacer que los materiales de infraestructura sean más duraderos. Anteriormente han desarrollado concreto que utiliza material de cambio de fase, similar a la parafina utilizada para hacer velas, para derretir la nieve y el hielo de su superficie; concreto de autocuración que emplea bacterias especiales que producen carbonato de calcio; y Polímeros impresos en 3D que fortalecen las estructuras de concreto.
Para crear los materiales de construcción térmicamente sensibles, el grupo se inspiró en varios de estos esfuerzos, utilizando una matriz de polímero impreso para crear la cuadrícula de canales en la superficie de concreto antes de llenarlos con un material a base de parafina para permitir su regulación de la temperatura de respuesta.
Los materiales de cambio de fase, como la parafina, son únicos para esta aplicación porque absorben y liberan energía térmica a medida que cambian entre los estados líquidos y sólidos. Entonces, a medida que las temperaturas caen, y el material pasa de líquido a sólido, libera energía térmica; Por el contrario, cuando aumentan las temperaturas ambientales, el material puede absorber la energía térmica, produciendo una superficie fría.
“Anteriormente hemos usado material a base de parafina como ingrediente de cambio de fase para el concreto autoalimentado, por lo que sabíamos que era una sustancia natural confiable que podría afectar la temperatura de la superficie de los materiales de construcción de concreto”, dijo Robin Deb, Ph.D., científico de investigación en el Laboratorio de AIM y coautor de la investigación.
“Para esta aplicación seleccionamos un material de cambio de fase con una temperatura de fusión de alrededor de 18 grados Celsius, un punto de fusión relativamente bajo, para probar su efectividad en climas fríos. Pero este sistema permitiría adaptar el material de cambio de fase también que responde en climas más cálidos”.
Utilizando una plantilla de polímero disolvible o “sacrificial”, el equipo creó una serie de muestras de cemento con patrones de canales vasculares variables, incluidos un solo canal, múltiples canales, canales paralelos perpendiculares a los bordes de la superficie, canales paralelos diagonales y una cuadrícula con forma de diamante de canales; y rango de espesor de 3 a 8 milímetros.
Muestra de VASCI multidmn inspeccionada en el canal (a) evidencia de restos de polímeros no disueltos del andamio de sacrificio, (b) Vista superior del canal con la disolución adecuada del andamio de polímero sacrificial (c) Vista lateral del canal con la disolución adecuada del andamio de polímeros de sacrificio. Crédito: Journal of Building Engineering (2025). Doi: 10.1016/j.jobe.2025.112878
Probaron cada muestra para determinar su comportamiento mecánico, así como su capacidad para ralentizar el calentamiento y enfriamiento de la superficie, en relación con las condiciones ambientales ambientales, cuando los canales se llenaron con material de cambio de fase.
La combinación más efectiva de resistencia y regulación térmica demostró ser la muestra con arquitectura del canal de cuadrícula en forma de diamante. Esta muestra pudo mantener su integridad estructural durante las pruebas para estirarla y comprimirla, al tiempo que desaceleró el calentamiento y el enfriamiento de su superficie, a 1-1.25 grados centígrados por hora, con respecto a su entorno.
“Descubrimos, quizás no es sorprendente que más área de superficie de vasculatura equivale a un mejor rendimiento térmico. Esta observación es similar a la fisiología de las orejas de elefante y Jackrabbit, que contienen áreas extensas de vasculatura para ayudar a regular su temperatura corporal”, dijo Deb.
“Creemos que nuestros materiales vasculares podrían desempeñar un papel similar en un edificio al ayudar a compensar los cambios de temperatura y reducir la demanda de energía de HVAC para mantener el confort térmico”.
Para reforzar aún más la fuerza de los materiales, a pesar de los canales que se ahuecan parcialmente, el equipo mostró agregar un material agregado fino al cemento podría mejorar su durabilidad sin afectar la capacidad de la vasculatura para circular el material de cambio de fase.
“Si bien este estudio tenía la intención de mostrar una prueba de concepto, estos resultados son prometedores y algo en lo que podemos construir”, dijo Farnam. “Esto muestra tanto la efectividad de este método para regular la temperatura de la superficie en materiales cementosos, así como un método simple y rentable para producirlos. Con pruebas y escala adicionales creemos que esto tiene el potencial de hacer una contribución significativa a los muchos esfuerzos continuos para mejorar la eficiencia energética de los edificios”.
La investigación futura del equipo implicará probar diferentes materiales de cambio de fase y configuraciones de canales en muestras de materiales cementitios más grandes durante un período de tiempo más largo y una gama más amplia de temperaturas ambientales, entre otras variables.
Más información: Rhythm Osan et al, la naturaleza inspiró compuestos cementitivos de sensibilidad de autocomplacos vasculares inspirados con materiales de cambio de fase, Journal of Building Engineering (2025). Doi: 10.1016/j.jobe.2025.112878
Proporcionado por la Universidad de Drexel
Cita: Inspirada en las orejas de elefante, el nuevo diseño de pared podría ayudar a los edificios a mantener el uso de energía y corte de energía (2025, 16 de julio) Recuperado el 16 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-elephant-ears-wall-stay-cool.html
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