Cómo las ventanas inteligentes podrían ahorrar energía

Esta nota es del archivo de Knowable Magazine. Se publicó originalmente en junio de 2022.

La luz natural que entra por una ventana soleada es estupenda —hasta que los rayos de luz lo hacen a uno entrecerrar los ojos y sea necesario secarse el sudor de la frente—. Uno podría cerrar las persianas o encender el aire acondicionado, pero el resultado sería una habitación oscura o una factura de electricidad más elevada.

Hace 40 años se ideó una solución a este dilema: ventanas inteligentes, ajustables a las preferencias individuales. Mediante el uso de materiales especiales que bloquean longitudes de onda específicas de la luz, estas ventanas se adaptan al clima o a la comodidad personal. ¿Demasiado calor? Las ventanas pueden oscurecerse para bloquear la luz y mantener las habitaciones más frescas. ¿Demasiado frío? El tinte desaparece, dejando que la cálida luz natural caliente el espacio. ¿Quiere un poco de privacidad? Algunos cristales pueden nublarse con solo pulsar un interruptor.

En las últimas décadas, los avances en la investigación sobre ventanas inteligentes han llevado esta tecnología mucho más allá del laboratorio: se espera que el mercado del vidrio inteligente alcance los 7.500 millones de dólares en 2028. Ya se pueden encontrar tipos de ventanas inteligentes en barcos, vehículos y aviones, y están llegando a edificios como oficinas y terminales de aeropuertos. Además, según sus defensores, si superan algunos retos clave, podrían desempeñar un papel importante para que los hogares sean más eficientes desde el punto de vista energético.

Los edificios representan nada menos que el 39 % del consumo energético en Estados Unidos, y el 35 % de ese porcentaje está relacionado con la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado. Dado que las ventanas inteligentes pueden bloquear o dejar pasar el calor de forma selectiva, pueden reducir estas necesidades energéticas: aproximadamente el 35 % de la energía de un edificio típico se pierde a través de las ventanas.

Pero para que las ventanas inteligentes se generalicen —y reduzcan el consumo energético de todos— es necesario que bajen de precio. Los dispositivos actuales pueden tener un costo que es hasta 10 veces mayor que el de las ventanas estándar de bajo consumo. Hacer que la tecnología sea más barata, y tal vez incluso más inteligente, es un tema de gran interés para los investigadores.

En el futuro, afirma el físico de materiales Claes-Göran Granqvist, “no habrá realmente ninguna razón para tener otras ventanas que no sean estas ventanas inteligentes”.

Como una batería

Las ventanas inteligentes se crearon mucho antes de que los teléfonos y los televisores se consideraran “inteligentes”. A principios de los años ochenta, científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California, estaban buscando nuevas formas de fabricar materiales de construcción energéticamente eficientes. A los investigadores se les ocurrió la idea de una ventana sensible que cambiara dinámicamente su tono. Granqvist, que formó parte de esa investigación inicial, utilizó la expresión “ventanas inteligentes” en una solicitud de subvención. El nombre se quedó y la primera ventana inteligente se hizo realidad en 1984.

Los prototipos originales medían apenas unos centímetros y contaban con un cristal que cambiaba de transparente a oscuro de forma reversible, una hazaña que se logró intercalando cristal, varias capas de materiales y conductores transparentes que suministraban pequeñas descargas de electricidad. El voltaje alteraba la forma en que los materiales interactuaban con la luz —cambiando las longitudes de onda que se reflejaban o absorbían—.

A medida que la tecnología avanzaba, los investigadores exploraron otras sustancias que manipulan la luz en respuesta a otros estímulos, como el calor, la luz ultravioleta y el magnetismo. Hoy en día se utiliza una gama de “materiales inteligentes” especiales, y los investigadores continúan investigando otros nuevos.

Esos primeros prototipos utilizaban materiales “electrocrómicos”, lo que significa que cambian de forma reversible en respuesta a la corriente o al voltaje eléctrico. Las ventanas electrocrómicas suelen tener cinco capas en total, incluidas dos capas que sirven de electrodos (como los polos positivo y negativo de una batería) y una capa interna de electrolito que contiene iones. Cuando se aplica voltaje, los iones con carga positiva se desplazan a una capa, mientras que los electrones se desplazan a la otra. La reacción crea un tinte que bloquea parte de la luz visible, así como la luz infrarroja cargada de calor. El tinte permanece hasta que otra ronda de voltaje desencadena una reacción inversa que extrae los electrones y los iones, volviendo así la ventana transparente una vez más.

“Es como en una batería eléctrica”, explica Granqvist, del Laboratorio Ångström de la Universidad de Uppsala, en Suecia. “Hay que aportar energía para cargarla, pero luego se puede conservar durante mucho tiempo”.

El vidrio electrocrómico se utiliza ampliamente en ventanas inteligentes y ya se puede encontrar en pantallas de privacidad, paneles de visualización, ventanas de barcos, ventanas de aviones y algunos techos solares de automóviles. Algunos tipos de vidrio electrocrómico son casi opacos cuando no están alimentados. En este estado, los materiales sensibles del vidrio, ya sean gotas de cristal u otras partículas en suspensión, se disponen de forma aleatoria, dispersando la luz en lugar de dejarla pasar, lo que hace que el vidrio se vuelva opaco. Pero al aplicar una corriente eléctrica, las gotas o cristales se alinean —volviendo el vidrio transparente—.

Estas y otras ventanas electrocrómicas permiten a los ocupantes del edificio controlar manualmente los niveles de tintado, pero se necesitan electricistas para construir correctamente las matrices de electrodos y los cables correspondientes, lo que complica el diseño y la instalación. Esto hace que los precios sean mucho más elevados que los de otros diseños de ventanas inteligentes. Por otro lado, los materiales son relativamente baratos y se vislumbran métodos de producción económicos y escalables, afirma Granqvist.

Además, las ventanas electrocrómicas aún tienen margen de mejora. Los investigadores continúan investigando nuevos materiales sensibles, con el objetivo de aumentar la eficiencia y la longevidad de las ventanas. Por ejemplo, un prototipo que contiene óxido de estaño dopado con otros dos metales que bloquean tanto la luz infrarroja como la visible duró muchos más ciclos de encendido y apagado que muchas ventanas electrocrómicas existentes, según informaron los científicos en ACS Omega.

Sensibles al calor

Otra clase de ventanas inteligentes que cambian en respuesta al calor, llamadas termocrómicas, no tienen el complicado cableado ni las fuentes de alimentación de las ventanas electrocrómicas. Un material termocrómico que se ha estudiado durante mucho tiempo es el dióxido de vanadio (VO₂), según Harlan Byker, científico de materiales que fundó la empresa Pleotint, fabricante de cristales dinámicos para ventanas.

El VO₂ tiene la capacidad de cambiar de forma a temperaturas más altas (alrededor de 68 grados Celsius o 154 grados Fahrenheit), lo que aumenta su capacidad para reflejar la luz infrarroja. Esto permite que la luz visible siga entrando, iluminando la habitación, al tiempo que reduce la cantidad de calor que entra, manteniendo la habitación más fresca. Los investigadores pueden mezclar sustancias especiales con VO₂ para que refleje a temperaturas más bajas, pero esto dificulta su reflexión de la luz —lo que complica la transición del producto del laboratorio a los mercados comerciales, afirma Byker—.

Las ventanas termocrómicas de próxima generación pueden utilizar diferentes materiales que absorben la luz en lugar de reflejarla, creando un tinte continuo a medida que aumenta la temperatura, de forma similar a las ventanas electrocrómicas. Una sustancia desarrollada recientemente aprovecha las interacciones entre los iones metálicos y otras moléculas para absorber menos luz infrarroja y visible cuando hace frío fuera, lo que permite que entre más calor. Cuando hace más calor, los materiales absorben más luz, manteniendo fuera el calor asociado.

Cada material sensible a la temperatura cambia a diferentes temperaturas y puede parecer más o menos tintado, y tiene sus retos, afirma la científica de materiales Long Yi, de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur. Algunos, como un polímero llamado hidrogel, son excelentes para desviar el calor, pero tienen un tinte demasiado opaco para ver a través de ellos. Otros, como el VO₂, son lo suficientemente transparentes como para conservar los paisajes, pero no son tan eficientes desde el punto de vista energético porque no reflejan tan bien el calor.

“No hay materiales perfectos”, afirma Yi. “Solo podemos encontrar el material perfecto para determinadas aplicaciones”.

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Una de estas aplicaciones es el diseño de ventanas que no solo difuminan la luz, sino que también retienen su calor. El laboratorio de Yi, por ejemplo, está desarrollando ventanas termocrómicas que pueden almacenar el calor acumulado durante las horas más soleadas del día y liberarlo cuando la demanda y el costo son más bajos, durante las horas más frescas del día.

Esto se consigue colocando hidrolíquido —una combinación de agua e hidrogel— entre dos paneles de vidrio. Las cadenas de polímeros del interior del hidrogel se expanden cuando la temperatura desciende por debajo de los 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit), lo que hace que el vidrio se vuelva transparente. Por encima de este umbral, las cadenas se arrugan como el papel y se entrelazan entre sí para crear un tinte que dispersa la luz infrarroja cercana y la luz visible. Gracias al agua de la mezcla, que puede retener grandes cantidades de calor, el hidrolíquido absorbe el calor y lo libera gradualmente con el tiempo. Esto puede reducir las necesidades energéticas de calefacción, ventilación y aire acondicionado en un 35 % en comparación con el vidrio de doble panel, según los datos de simulación de Yi.

Su último estudio presenta una ventana bidireccional. Descrita en 2021 en Science, el equipo de Yi creó una ventana, con revestimientos energéticamente eficientes y VO₂, que bloquea la entrada de la luz infrarroja cargada de calor en los edificios, al tiempo que permite que el calor interior se irradie hacia el exterior, enfriando así las habitaciones en verano. Este mecanismo se invierte en invierno, cuando las temperaturas son más frías: los materiales dejan entrar la luz y evitan que el calor interior se irradie hacia el exterior. En comparación con los revestimientos de vidrio energéticamente eficientes que se comercializan actualmente, esta nueva tecnología podría ahorrar hasta un 15 % en el consumo de energía, afirma Yi.

Dificultades en el camino

Las ventanas inteligentes pueden ayudar al mundo a avanzar en el ahorro de energía, pero, como se ha visto con otras innovaciones como los vehículos eléctricos, el camino hacia un futuro más ecológico puede ser un poco accidentado.

Los elevados precios de las ventanas inteligentes son un obstáculo importante para su expansión a más espacios, según señala una revisión de 2016 sobre materiales para ventanas inteligentes publicado en el Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. Las ventanas electrocrómicas, por ejemplo, pueden tener un costo varias veces mayor que las ventanas energéticamente eficientes debido a sus complicados sistemas de alimentación y a los largos procesos de instalación. Y aunque las ventanas termocrómicas son más baratas, siguen teniendo un costo mayor que el de las ventanas normales. La mayoría de los consumidores prefieren elegir la opción más barata, aunque carezcan de las ventajas energéticas de las ventanas inteligentes.

Los científicos siguen mejorando la tecnología, pero en este momento el éxito o el fracaso de las ventanas inteligentes depende en gran medida de la economía. Para que las ventanas inteligentes despeguen, sus precios deben bajar, afirma el científico de materiales e ingeniero eléctrico Carl Lampert, socio gerente de la consultora de revestimientos para ventanas Star Science. Incluir las ventanas en los programas de descuentos del gobierno, como el símbolo Energy Star para productos energéticamente eficientes, podría ayudar. Una mejor educación de los consumidores sobre los avances emergentes, su rendimiento y el ahorro energético también podría aumentar la demanda.

La investigación está allanando poco a poco el camino hacia ventanas inteligentes más sencillas, baratas y duraderas que reduzcan el costo y los riesgos. Pero es posible que los consumidores tengan que esperar: Yi estima que pueden pasar 10 años hasta que los nuevos productos salgan de los laboratorios y lleguen al mercado.

Con el tiempo, estas ventanas podrían generalizarse, ajustándose de forma pasiva a los deseos de los consumidores o respondiendo a la pulsación de un botón —como el mando a distancia de un televisor, según Lampert—. Él imagina un futuro en el que se pueda pedir una ventana inteligente en Home Depot sin causar confusión entre los trabajadores. Y otros investigadores están de acuerdo:

“Las ventanas dinámicas son inevitables”, afirma Byker. “Solo hay que superar algunos problemas iniciales”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner