POwer Tower
Petrolli, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

Casi la mitad de la población mundial, 3500 millones de personas, vive actualmente en ciudades. Estas suponen entre el 60% y el 80% del consumo de energía y el 75% de las emisiones de carbono en el ámbito mundial, aunque solo ocupan  el 3% de la superficie terrestre.

El reto que plantea el ODS 11, Ciudades y comunidades sostenibles, es lograr que las ciudades y los asentamientos humanos sean inclusivos, seguros, resilientes y sostenibles.

En un mundo cada vez más poblado y urbano, la química juega un papel fundamental para que nuestras ciudades sean  lugares mejores para vivir, gracias a su contribución a la mejora de la eficiencia de los edificios y al diseño de hogares más sostenibles.

La construcción de edificios inteligentes, sostenibles y energéticamente eficientes, hoy es posible gracias a los avances en nuevos materiales y tecnologías.

Del acero a la fibra de carbono

En su día, el uso de estructuras de acero en la construcción supuso un hito en la historia de la arquitectura y la ingeniería. Los grandes rascacielos no serían posibles sin este material ligero, duradero, resistente y económico. En la actualidad, la fibra de carbono se presenta como una alternativa que renovará el sector. 

La fibra de carbono es un polímero que se obtiene de calentar sucesivamente a altas temperaturas (hasta 1500 °C) poliacrilonitrilo. Este proceso origina unas fibras perfectamente alineadas de carbono casi puro en su forma de grafito. Este material destaca por su elevada resistencia mecánica y de tracción, su baja densidad, su gran capacidad de aislamiento térmico y resistencia a agentes externos. Si bien su uso está extendido en el sector automovilístico y aeroespacial, los materiales compuestos con fibra de carbono se han comenzado a utilizar en la construcción, para la reparación de estructuras existentes, la adaptación de viviendas a las nuevas normativas o su implantación directa, especialmente en la arquitectura modular.

Una de sus ventajas es que los módulos se pueden transportar fácilmente debido a su flexibilidad y ligereza, favoreciendo así el diseño y construcción de viviendas que evolucionan en función de las necesidades. De este modo, los arquitectos le atribuyen un gran potencial en el campo de la rehabilitación de edificios patrimoniales, ya que permite el mantenimiento del exterior de las construcciones, personalizando el interior a los nuevos usos.

Estos son ejemplos de la importancia que cobra la investigación y el descubrimiento de nuevos materiales, ya que estos ayudarán a la mejora de la calidad de vida en las ciudades. Según datos de Naciones Unidas, estas representan entre el 60 y 80% del consumo de energía, así como el 75% de las emisiones de CO2. Un aislamiento térmico adecuado permitiría reducir el 80% del consumo energético de las viviendas y ahorrar la emisión de 2400 millones de toneladas de este gas al año.

Materiales aislantes de alto rendimiento

Otro aspecto crucial para lograr la sostenibilidad en los edificios es la eficiencia energética. En este sentido, hoy es posible añadir a los yesos y morteros materiales de cambio de fase (PCM), capaces de almacenar o liberar grandes cantidades de energía. El interés de este tipo de materiales radica en que, durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante, mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La temperatura de cambio de fase es característica de cada PCM. Su capacidad termorreguladora permite reducir las oscilaciones térmicas de un espacio, en torno dicha temperatura, con lo que se reduce la dependencia de los sistemas de climatización, permitiendo así un ahorro energético. Se trata de materiales inteligentes (smart materials) y pasivos, que actúan de manera reversible en base a las condiciones térmicas del entorno. Otra ventaja que es posible citar respecto de ellos es que, en general, son materiales de bajo coste.

En el caso de las viviendas situadas en climas cálidos, los equipos de climatización no solo plantean problemas asociados al consumo energético y la consecuente emisión de gases efecto invernadero asociada a su producción; también emiten calor al exterior, contribuyendo así a las islas de calor urbano. Es, por tanto, fundamental el papel que juega la química en los recubrimientos para el enfriamiento sostenible.

En esta línea de investigación, un equipo de la Universidad de Stanford ha diseñado un recubrimiento de dióxido de silicio y dióxido de hafnio que refleja el 97% de la luz solar y rebaja la temperatura unos 5º por debajo de la temperatura ambiental. Por su parte, la Universidad de Tecnología de Sidney ha desarrollado una combinación de polímeros con una fina película de lata que reflejan casi el 100% de la luz.

Tradicionalmente, en Andalucía las casas se han encalado para que, al reflejar la luz del sol, la temperatura interior sea menor. Ya disponemos de pinturas acrílicas con un relleno de carbonato cálcico que refleja el 95% de la luz solar, mientras que la pintura blanca refleja el 80% .

Grazalema /El Pantera, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Los materiales empleados en el recubrimiento de los edificios pueden jugar también un papel muy importante en la calidad del aire. Las pinturas y productos fotocatalíticos permiten eliminar la contaminación y la suciedad, y ahorrar costes de mantenimiento y limpieza. La fotocatálisis es un proceso químico activado por la luz solar, en presencia de un catalizador, y que elimina contaminantes atmosféricos como los óxidos de nitrógeno (NOx) y de azufre (SOx), así como compuestos orgánicos volátiles (COVs). Estas pinturas constan de una base de pintura plástica a la que se le añade dióxido de titanio como catalizador.

Ventanas que generan energía

En el terreno de la eficiencia energética, la química también ha permitido avances significativos en el diseño de superficies que generen energía. La producción de energía eléctrica a partir de paneles fotovoltaicos en los edificios presenta la limitación del espacio. Parar cubrir las necesidades de un edificio necesitaríamos más placas que las que cabrían en la superficie del tejado. La tecnología del vidrio fotovoltaico permite generar electricidad a pesar de ser transparente a la luz. 

En esta línea, la compañía abulense Onyx Solar ha diseñado un vidrio en tres capas (un semiconductor transparente y deposiciones de silicio amorfo y aluminio)  que actúa como un panel solar. La energía generada depende del grosor y de la transparencia del vidrio, mejorando el rendimiento al aumentar la transparencia.  

El internet de las cosas y los fluoropolímeros

Además de estos avances, las ciudades sostenibles requerirán una  gestión inteligente de los edificios eficaces. La detección de anomalías y la optimización del rendimiento del edificio implicará una red de sensores, software y conectividad que permitan recopilar e intercambiar datos.

En este sentido, la llegada de la tecnología 5G, que ampliará las velocidades de transmisión de datos de las redes móviles inalámbricas será fundamental en la aplicación del internet de las cosas (IoT) a los edificios. Ahora bien, esta tecnología requiere de materiales como los fluoropolímeros,  que puedan tolerar frecuencias y temperaturas más altas. En la actualidad, la industria química trabaja en el desarrollo de resinas de alto rendimiento a partir de estos compuestos.