Materiales Magnetocalóricos para Aplicaciones de Refrigeración Magnética y Recolección de Energía Térmica

El consumo de energía primaria a lo largo del mundo sigue aumentando y muchos países, incluida Costa Rica, realizan esfuerzos por reducir su huella de carbono, alcanzar la carbono-neutralidad y disminuir su impacto ambiental. De toda manera la producción de gases de invernadero y otros contaminantes sigue generando un conjunto de problemas ambientales que demandan una inmediata intervención. La comunidad científica ha buscado alternativas de producción de energía limpia que ayuden a revertir los efectos negativos causados por el calentamiento global, la contaminación y el agotamiento de la capa de ozono. Dentro de este esfuerzo, la necesidad de contar con sistemas de refrigeración, bombeo de calor, aire acondicionado y captación de energía térmica eficientes desde el punto de vista energético y que, además, sean respetuosos con el medio ambiente, es actualmente más urgente que nunca. Esto se ha convertido en objeto de importantes investigaciones básicas y aplicadas durante las últimas dos décadas. Los materiales de tipo funcional, es decir materiales avanzados con propiedades (electromagnéticas, térmicas, mecánicas, de forma, color, etc.) que son sensibles a específicos estímulos externos, pueden ser usados para desarrollar aplicaciones novedosas en el sector energético. En particular, como alternativas sostenibles y ambientalmente amigables, la conversión de energía y la refrigeración magnética basadas en el uso de materiales magnetocalóricos se encuentran entre las mejores opciones disponibles para lograr estos objetivos tecnológicos y socioambientales.
Este proyecto tiene como propósito evaluar y mejorar el rendimiento energético de materiales con propiedades magnetocalóricas en aplicaciones de refrigeración magnética con elementos de control térmico y de generación termomagnética de energía, al recolectar y reutilizar calor residual de bajo nivel. Para alcanzar este objetivo, se hace uso de dos métodos efectivos que buscan medir el desempeño de estas dos tecnologías: técnicas avanzadas de modelado y simulación computacionales, apoyadas en modernos enfoques de diseño de experimentos que involucran la optimización de parámetros y condiciones del sistema; así como trabajo experimental orientado a la validación del modelo computacional y la evaluación de la eficiencia térmica, sea de un prototipo de refrigerador magnético que de un dispositivo de regeneración termomagnética. Para el trabajo de modelación y simulación se utilizan datos experimentales del comportamiento magnético y térmico de diversas aleaciones de materiales con propiedades magnetocalóricas, en conjunto con modelos computacionales de energía y flujo. Se usa software computacional (CAE) de última generación, como COMSOL Multiphysics, SolidWorks y Matlab. Para los experimentos, se diseñan y se fabrican los dispositivos de refrigeración magnética y generación termomagnética, con elementos e instrumentos para el control, adquisición y procesamiento de datos y señales (LabVIEW), involucrando competencias analíticas avanzadas (Big Data). Además, con la ayuda del concepto de Digital Twins se considera estudiar, en un entorno virtual, el comportamiento físico real de ambas aplicaciones. Por último, se hace uso de técnicas novedosas de diseño de experimentos (DOE) enfocadas a la simulación computacional, con el fin de validar los modelos desarrollados y optimizar los parámetros y condiciones de trabajo, que permitan obtener el máximo rendimiento de los sistemas de refrigeración magnética y generación termomagnética.

Evaluar el desempeño de materiales funcionales con propiedades magnetocalóricas en sistemas de refrigeración magnética y dispositivos de recolección y reutilización de energía térmica

1. Caracterización de Materiales y Ensayos no Destructivos (END)
2. Tecnologías Avanzadas para el Desarrollo y Aplicación de Materiales.