Las ciudades buscan nuevas formas de protegerse ante las cada vez más habituales olas de calor. Da cuenta de ello un informe del Ayuntamiento de Pamplona, ya que la capital navarra registró en 2022, a través de doce estaciones ubicadas en distintos barrios, «entre dieciocho y treinta noches tropicales (temperaturas mínimas de 20 grados), y entre dos y tres noches tórridas (más de 25 grados)». En paralelo, una estación colocada fuera del núcleo urbano solo recogió «dos noches tropicales y una tórrida».
La razón detrás de esta problemática es sencilla. Los edificios, las carreteras y otras infraestructuras absorben y reemiten más calor del sol que los paisajes naturales, de modo que su concentración tiende a provocar temperaturas más altas que en la periferia. El efecto, bautizado como isla de calor, provoca que las zonas urbanas se enfrenten a temperaturas hasta diez grados mayores que las experimentadas en las zonas rurales.
De ahí que una parte de la comunidad científica apueste por avanzar en soluciones de enfriamiento radiativo pasivo como las metasuperficies. Estos materiales, diseñados por el ser humano, poseen propiedades electromagnéticas rara vez observadas en la naturaleza y distintas funcionalidades. «Somos capaces de obtener materiales que enfrían los objetos que recubren, incluso cuando están colocados bajo el sol. Y lo hacen sin trasladar el calor a otra parte porque lo emiten de forma directa al espacio exterior», incide Pilar Herrera, coordinadora del Grupo de Sistemas Inteligentes en la Asociación de la Industria de Navarra (AIN).
Quienes deseen conocer más a fondo el proyecto pueden hacerlo a través de este enlace
Precisamente, dicha entidad acumula años de trabajo en este ámbito junto a la Universidad Pública de Navarra (UPNA), durante los que han combinado disciplinas como la nanofotónica, centrada en el diseño de metasuperficies, y la Inteligencia Artificial (IA). Así, ya han completado la iniciativa Aevometa, que se desarrolló entre 2019 y 2020, y su continuación, Aevometa II, que hizo lo propio entre 2020 y 2022. Los proyectos profundizaron en la puesta a punto de técnicas de optimización de computación evolutiva, así como en la fabricación de una pequeña ‘oblea’ que materializó una de esas soluciones.
Sus prometedores resultados impulsaron a AIN y la UPNA a poner en marcha un tercer proyecto en 2022. Bajo el nombre de DisenIA, está coordinado por ADItech -a su vez coordinador del Sistema Navarro de I+D+i (SINAI)– y financiado por el Ejecutivo foral en la convocatoria de ayudas a centros tecnológicos y organismos de investigación para la realización de proyectos de I+D colaborativos.
«En las anteriores iniciativas, pudimos comprobar que la fabricación con un mayor número de materiales daba a lugar a muchos defectos. Así que decidimos simplificarla a apenas dos elementos: el silicio y el sílice. Se trata de materiales muy abundantes en la naturaleza, ya que se pueden conseguir de la arena de playa, y también pueden ser reciclados. Al mismo tiempo, quisimos iniciar nuevas líneas de investigación», señala Miguel Beruete, profesor de Teoría de la Señal y Comunicaciones, miembro del Grupo de Antenas y líder del laboratorio Teralab en la UPNA.
METASUPERFICIES PIXELADAS
DisenIA engloba tres bloques de trabajo. Por un lado, el equipo aprovechó las soluciones obtenidas durante las iniciativas anteriores, «que rondan el millón», para extraer conocimiento sobre la física que influye en las estructuras multicapa. Un campo en el que AIN aporta su experiencia con algoritmos que las agrupan según sus similitudes y sin supervisión humana, según detalla Herrera: «Se trata de observar qué tienen en común aquellas con mayor potencial de emisividad, según el modelado analítico de materiales llevado a cabo por la UPNA».
Así mismo, el equipo de la entidad educativa se centró en desarrollar modelos subrogados con el objetivo de reducir el tiempo requerido para llevar a cabo las simulaciones de los diseños. «Desde el punto de vista computacional, el diseño de estas estructuras nanométricas es muy complicado. Tenemos simuladores electromagnéticos que nos dicen cómo de bien funciona una única estructura, pero son un cuello de botella por su lentitud», remarca Beruete. De ahí que crearan algoritmos que modelan el problema de una forma aproximada y resuelven la simulación «en segundos».
Por último, los equipos de ambas organizaciones se adentraron en una nueva línea de investigación, dirigida al diseño de metasuperficies basado en píxeles y con apoyo de la IA. «Damos a la IA una matriz y le decimos que puede elegir entre dos materiales, aire o sílice, para crear formas simétricas que potencien su capacidad de enfriamiento. En comparación con una persona, los algoritmos no tienen límites al momento de visualizar resultados más óptimos», apuntala el investigador de la UPNA. Un bloque que contó con algoritmos de optimización de AIN.
OBJETIVOS DE FUTURO
Con el diseño obtenido en el último bloque de trabajo, el grupo de la UPNA fabricó un dispositivo que fue probado en campo con apoyo de AIN. «El dispositivo enfría al menos catorce grados sobre nuestra referencia y siete grados por debajo de la temperatura ambiental, con un consumo energético nulo», apunta Herrera al tiempo que constata cómo, por la «complejidad de su fabricación», estos materiales podrían usarse en etapas iniciales para aplicaciones en cadenas de frío, coches eléctricos o enfriar contenedores de material combustible.
Mientras DisenIA se acerca a su cierre, los equipos de AIN y la UPNA ya están preparando una cuarta iniciativa, M4GIA, que profundizará no solo en el diseño de metasuperficies pixeladas, sino también en que esos materiales puedan enfriar y calentar de forma controlada. «Se trata de poner a disposición de la transición digital y ecológica las capacidades que presenta la IA. De esta forma, deseamos aportar nuestro granito de arena a la llamada twin transition, un modelo en el que la tecnología y la sostenibilidad se dan la mano para construir un mundo más eficiente», concluye la investigadora de AIN.