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Tecnología CSIC de Ventanas Inteligentes EMDs: ¿smart windows para todos próximamente?

Por Dr. David Levy, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) - CSIC
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Lo más destacable, en términos de ahorro energético, de estas ventanas EMDs es que el principal consumo que necesitan para su activación es el “agua” y solo en pequeñísimas cantidades.
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Son numerosos los intentos de desarrollar -por ahora sin éxito- tecnologías aptas para aplicación en ventanas inteligentes o smart windows. Pero, ¿cuál es la verdadera razón por la que no tenemos ventanas inteligentes en nuestras propias casas? Estos métodos están basados, principalmente, en los mismos principios para obtener una capa polimérica de transmisión de luz variable y utilizan técnicas muy complicadas, con costes de fabricación enormes, sobre todo cuando se trata de dimensiones grandes para uso, por ejemplo, en fachadas, razón por la que no se fabrican industrialmente, excepto por encargos especiales. Pero este no es el único problema, ya que aparte del alto coste, la durabilidad cuando son expuestos al sol es cuestionable.


La tendencia de la construcción a incluir cada vez mas vidrio en las fachadas de los edificios inteligentes y sostenibles es evidente en nuestros días. Esto hace que la demanda de vidrio inteligente sea cada vez mayor y que tenga que adaptarse rápidamente a las exigencias del mercado


A partir de esta premisa, y para salvar esta gran carencia de las ventanas actuales, nacen los EMDs (Externally Modulated Displays). Cabe destacar igualmente que los aspectos económicos y de durabilidad no son lo único importante a la hora de fabricar una ventana inteligente y pretender incorporarla en el sector industrial especializado, sino que los procesos de fabricación e instalación de estas nuevas ventanas deben de ser también válidos para el sector. Los fabricantes no aceptan grandes cambios o complicaciones en sus líneas de fabricación. 


Los EMDs cumplen con este requisito, ya que se trata de un producto que, a la vez que es complejo y novedoso, es sencillo de fabricar. Los EMDs son una alternativa más “accesible” en términos económicos, ya que permitirá la fabricación a un precio razonable facilitando la introducción a gran escala de la tecnología de ventanas inteligentes en el mercado y ampliando el abanico del sector a posibles nuevos usuarios. Otra ventaja es la posibilidad de utilizarla en formas y superficies que sean flexibles, planas, curvas, etc.


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El conocido problema de la durabilidad

Ahora vayamos a las pruebas de campo reales y hablemos de “foto-estabilidad” (degradación con la luz del sol) y sencillamente lo diré: una ventana inteligente que no tenga esta importantísima cualidad automáticamente queda eliminada para su aplicación en el exterior. Esta es una ambiciosa propiedad que tienen nuestras ventanas EMD y de la que podemos presumir que no tiene competencias.


Como hemos dicho, Externally Modulated Displays (EMDs) es el nombre con el que se ha bautizado a esta tecnología, que funciona gracias a una combinación de reacciones químicas y físicas tras la exposición del cristal al aire húmedo o seco. Sin utilizar electricidad y en pocos segundos, el paisaje que vemos a través del cristal desaparece, sustituido por una capa blanca completamente opaca. Los recubrimientos EMDs consisten en películas delgadas de material altamente poroso que, mediante su exposición a aire húmedo o seco, cambian radicalmente su transmisión óptica en el rango visible e infrarrojo, consiguiendo una conmutación entre un estado transparente y uno opaco. Como resultado, el dispositivo regula la cantidad de luz visible o infrarroja solar y reduce la visibilidad a través del cristal.


Lo mas novedoso de este sistema, financiado con Fondos del Ministerio de Ciencia e Innovación a través del Programa Estatal de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnológico del Sistema de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad, es que nuestras ventanas inteligentes consumen cantidades pequeñísimas de “agua” (corrientes de aire con humedad controlada) para cambiar la transparencia de la ventana.


Pongamos como ejemplo una ventana en la que hay dos vidrios cubiertos con el recubrimiento inteligente EMD. A través de una cavidad interior se hace pasar el aire con humedad controlada. Para “activar” dicha humedad se incorpora una caja de activación autónoma que alberga un sistema sencillo para humedecer o secar el aire que circula dentro de la ventana durante un corto periodo de tiempo. La aplicación de este recubrimiento de menos de un micrómetro de espesor cumple las funciones de una barrera capaz de poder controlar la cantidad de luz que pasa a través de un cristal y reducir así la visibilidad o proporcionarnos privacidad de manera instantánea, regular la luz en lugares donde sea necesario o actuar como protector frente a la radiación solar, siendo su funcionamiento muy cómodo y rápido.


Estas ventanas podrán ser adecuadas para reducir la carga de aire acondicionado de un edificio en verano y la de calefacción en el invierno, ofreciendo por tanto una optimización de los recursos energéticos en los edificios   


La tendencia de la construcción a incluir cada vez mas vidrio en las fachadas de los edificios inteligentes y sostenibles es evidente en nuestros días. Esto hace que la demanda de vidrio inteligente sea cada vez mayor y que tenga que adaptarse rápidamente a las exigencias del mercado, especialmente a todas aquellas relacionadas con la eficiencia y la gestión inteligente de la energía. Es necesario un proceso de fabricación de estas ventanas que sea barato y sencillo. Nosotros proponemos los EMDs.


¿Qué aportan los EMDs y cómo funcionan?

El principio de funcionamiento de esta tecnología se basa en la activación controlada de una combinación de reacciones químicas y físicas que producen la conmutación opaco-transparente en el vidrio ventana. Estos recubrimientos EMDs consisten en películas delgadas de material altamente poroso que, mediante su exposición a aire húmedo o seco, cambian radicalmente su transmisión óptica en el rango visible e infrarrojo, consiguiendo una conmutación entre un estado transparente y uno opaco


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Como resultado, el dispositivo regula la cantidad de luz visible o infrarroja solar y reduce la visibilidad a través del cristal. Ninguno de los sistemas conocidos trabaja o su principio de funcionamiento está basado en función de una corriente de aire con humedad controlada como elemento que origina el cambio en la transmitancia del nuevo dispositivo (conmutación ON-OFF). El dispositivo que se ve en la figura es una ventana de 15x15 cm en la que hay dos vidrios recubiertos con el recubrimiento EMD orientados hacia una cavidad interior por donde se hace pasar el aire con humedad controlada para su activación. El sistema se complementa con una caja de activación autónoma, que alberga un sistema para humedecer o secar el aire que circula dentro de la ventana.


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La aplicación de este recubrimiento de menos de un micrómetro de espesor cumple las funciones de una barrera capaz de poder controlar la cantidad de luz que pasa a través de un cristal y reducir así la visibilidad o proporcionarnos privacidad de manera instantánea, regular la luz en lugares donde sea necesario o actuar como protector frente a radiación solar. Su funcionamiento se puede activar con un controlador a distancia y los tiempos de respuesta son unos pocos segundos.


La transferencia de esta tecnología de nuevas ventanas EMD está muy avanzada, pues ya existe un demostrador o prototipo preliminar de tamaño de laboratorio


Contribución pionera

Cabe resaltar que nuestra contribución en este campo es pionera. Esta tecnología CSIC de Ventanas Inteligentes EMDs no tiene precedentes, ya que la innovación que representa radica en la posibilidad de fabricar ventanas inteligentes que no requieren para su fabricación componentes muy caros, como los vidrios conductores (ITO) y elementos eléctricos o compuestos de cristal líquido para su funcionamiento. Estos tres elementos son los que encarecen de manera muy marcada la fabricación de las ventanas inteligentes convencionales (electrocrómicas, LCD, PDLC/GDLC, SPD, etc.). 


Estas ventanas pueden ser utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones en las que se requiera un control de la luz que pasa a través de la ventana o una privacidad dinámica o controlada. Estas ventanas podrán ser, asimismo, adecuadas para reducir la carga de aire acondicionado de un edificio en verano y la de calefacción en el invierno, ofreciendo por tanto una optimización de los recursos energéticos en los edificios. Pero quizás lo mas destacable en términos de ahorro energético es que el principal consumo que necesitan para su activación es el “agua” y solo en pequeñísimas cantidades.


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Esta investigación está orientada tanto al sector de arquitectura y decoración como para ventanas, tabiques (interior/exterior) y privacidad en edificios, cumpliendo con las demandas de sostenibilidad actuales de aplicación en los sectores de la construcción y las energías e incluso al sector del automóvil. La tecnología puede ser aplicada en diferentes elementos de un edificio residencial: ventanas o puertas, paneles divisores en oficinas, puertas correderas, elementos de regulación o protección contra la luz, pantallas de visualización de información, paneles de techo, lucernarios, espejos para aplicaciones en arquitectura, decoración en interior o exteriores de edificios, o elementos de regulación o protección contra la luz, entre otros. Su funcionamiento se puede controlar con un controlador a distancia y puede ser aplicado en edificios inteligentes como escaparates, restaurantes, comercios, hoteles, baños, hospitales y grandes superficies, generando la “privacidad” deseada de manera eficiente y dinámica (reversible).


Fase y coste

Todavía estamos lejos de la fabricación y comercialización, hay que esperar todavía para que se puedan adquirir. Los EMDs han despertado un gran interés del sector industrial afín a este campo, y tenemos buenas expectativas de aplicación en este sector. La transferencia de esta tecnología de nuevas ventanas EMD está muy avanzada, pues ya existe un demostrador o prototipo preliminar de tamaño de laboratorio. Ahora estamos pensando pasar a la fase de scaling-up, para desarrollar un dispositivo de mayor tamaño que se pueda exponer en alguna feria del sector y atraer a los inversores para continuar con el desarrollo.


La simple y fácil preparación del dispositivo y el hecho de que use materiales más baratos que los convencionalmente utilizados en otras ventanas inteligentes y compatibles con el medio ambiente hace que los costes de fabricación sean extremadamente bajos, permitiendo la producción masiva de estructuras inteligentes de gran superficie (metros cuadrados). A modo de ejemplo, un metro cuadrado de una ventana clásica que sea capaz de realizar estas funciones puede llegar a costar miles de euros, sin embargo con nuestra tecnología tan solo unos pocos céntimos de euro.

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Este artículo aparece publicado en el nº 569 de CIC, págs. 60 a 62


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