Dado que estas aleaciones también absorben y liberan calor cuando se deforman, son fundamentales para otro de los desarrollos principales del equipo: la refrigeración y la calefacción elastocalórica, una alternativa respetuosa con el clima y energéticamente eficiente a los sistemas convencionales.
El segundo tipo de material inteligente que Motzki y su equipo están explorando es una película de silicona delgada y muy flexible con capacidades extraordinarias. Ajustando el voltaje eléctrico aplicado, estas películas de polímero pueden realizar una amplia gama de movimientos (vibrar, golpear, empujar o tirar), lo que las hace ideales para crear minimotores ligeros y de bajo consumo. El equipo de Paul Motzki utiliza estos actuadores poliméricos para desarrollar bombas y válvulas innovadoras. También los aplican a los textiles para crear interfaces sensibles que se pueden llevar puestas y que actúan como puente háptico entre el cuerpo y los sistemas digitales. Las películas también se pueden utilizar en las pantallas de los teléfonos inteligentes para crear botones dinámicos y retroalimentación háptica.
Paul Motzki es un pionero en este campo y ahora, en una primicia mundial, está combinando estas dos tecnologías —aleaciones con memoria de forma y actuadores de elastómeros dieléctricos— para dar un importante paso adelante en el emergente campo de la refrigeración elastocalórica. El Consejo Europeo de Investigación, el mayor financiador de investigación de vanguardia de Europa, apoya este trabajo pionero con una subvención inicial del ERC de aproximadamente 1,5 millones de euros durante cinco años.
Ambas tecnologías ofrecen ventajas clave: son ligeras y eficientes desde el punto de vista energético, y tan respetuosas con el medio ambiente como la electricidad que las alimenta. Debido a su capacidad para ejercer una fuerza considerable en un espacio reducido, a menudo se las denomina «músculos artificiales». El objetivo de Motzki es combinar estos músculos artificiales y minimotores fabricados con materiales inteligentes para crear unidades de refrigeración extremadamente planas, compactas y ligeras, y por lo tanto fáciles de integrar en otros sistemas.
Motzki también está trabajando para llevar la tecnología elastocalórica al mercado a través de otro proyecto financiado por la UE. En 2024, Paul Motzki y su equipo formaron parte de un consorcio europeo que ganó el prestigioso EIC Pathfinder Challenge del Consejo Europeo de Innovación, recibiendo 4 millones de euros de financiación. Él y sus socios del consorcio están desarrollando actualmente un prototipo de sistema de aire acondicionado residencial basado en principios elastocalóricos. El premio EIC Pathfinder se concede en reconocimiento a «tecnologías nuevas, visionarias y radicales que tienen el potencial de facilitar las transiciones sociales necesarias, abordar los retos globales y establecer nuevos mercados». Motzki, que además de ocupar un puesto de profesor en la Universidad del Sarre, es también director científico y director general del Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken, explica la diferencia entre los dos premios: «El EIC Pathfinder se centra en traducir rápidamente la investigación en aplicaciones prácticas, mientras que la beca ERC Starting Grant apoya la investigación fundamental destinada a ampliar la base científica de la tecnología elastocalórica».
Que la UE conceda a un investigador tanto el EIC Pathfinder como la ERC Starting Grant es un logro poco común. La financiación adicional de la UE para la investigación de Motzki sobre el uso de aleaciones con memoria de forma en implantes médicos inteligentes se proporciona a través del proyecto Horizon Europe «SmiLE – Smart implants for life enrichment», dotado con 21 millones de euros, en el que participan 25 instituciones líderes de 12 países europeos.
Antecedentes
Elastocalórica
La refrigeración elastocalórica es una tecnología novedosa, respetuosa con el clima y eficiente desde el punto de vista energético que funciona sin refrigerantes nocivos ni combustibles fósiles. Durante años, Motzki y su director de tesis, Stefan Seelecke, han estado desarrollando esta tecnología en la Universidad del Sarre y en el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken a través de varias iniciativas de investigación multimillonarias. La Comisión Europea ha identificado la refrigeración elastocalórica como la alternativa más prometedora a los métodos convencionales, y el Foro Económico Mundial la incluyó entre las «Diez tecnologías emergentes más importantes» en 2024. El equipo de Saarbrücken ya ha construido un prototipo de mininevera y actualmente está desarrollando sistemas para la refrigeración de vehículos.
La refrigeración elastocalórica funciona estirando repetidamente alambres o láminas de níquel-titanio y luego dejándolos relajarse de nuevo, lo que permite que el calor se absorba en un lugar y se disipe en otro. Tanto si se utiliza el sistema para refrigerar como para calentar, el equipo es capaz de alcanzar diferencias de temperatura de alrededor de 20 °C. «Esto se aplica a un componente de una sola etapa», explica Motzki. «Si construimos sistemas de varias etapas, podemos alcanzar diferencias de temperatura mucho mayores».
La base de todos los prototipos elastocalóricos que se están desarrollando en Saarbrücken es una propiedad inusual de la aleación de níquel-titanio: la memoria de forma. Todos sabemos que el agua puede existir en tres estados físicos o «fases»: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor de agua). La aleación de níquel-titanio tiene dos fases. Aunque ambas fases son sólidas, sus redes cristalinas tienen dimensiones físicas ligeramente diferentes. El término «memoria de forma» refleja simplemente la capacidad del níquel-titanio para volver a un estado anterior (estructura de red cristalina) mediante una transformación de fase reversible. Cuando una de las fases se transforma en la otra, los alambres o láminas fabricados con la aleación de memoria de forma (SMA) de níquel-titanio absorben calor; cuando esa fase se transforma de nuevo, el material disipa el calor a su entorno. Así, el aire o el líquido que fluye sobre la aleación de níquel-titanio mientras se produce el cambio de fase se enfría o se calienta, y este efecto puede aprovecharse, por ejemplo, en sistemas de calefacción o refrigeración. «Dependiendo de la aplicación concreta, utilizamos alambres o láminas finas de SMA, o creamos componentes impresos en 3D con geometrías complejas», explica Motzki.
Los investigadores de Saarbrücken están desarrollando sistemas prácticos de refrigeración y calefacción mediante el diseño de prototipos con una mecánica inteligente que carga y descarga cíclicamente los componentes con memoria de forma. Las bases para este trabajo de desarrollo se sentaron en numerosos proyectos de investigación que examinaron cómo se pueden utilizar sistemas de accionamiento compactos para mantener las láminas o alambres de SMA en constante movimiento.
Los nuevos prototipos que se están desarrollando actualmente incorporarán películas de elastómeros dieléctricos como motores ultracompactos. «Estamos utilizando estos elastómeros dieléctricos para desarrollar novedosos sistemas de accionamiento que no necesitan estar equipados con sensores adicionales», explica Paul Motzki. Las películas están recubiertas por ambos lados con una capa altamente flexible y conductora de la electricidad, lo que les permite responder a los cambios de tensión y realizar movimientos precisos y eficientes desde el punto de vista energético. Cuando los investigadores aplican un voltaje eléctrico a la película de polímero, estas capas conductoras de electricidad se atraen entre sí, comprimiendo el polímero y haciendo que se expanda hacia los lados, lo que aumenta su superficie. «Al variar el campo eléctrico aplicado, podemos controlar el movimiento de la película con mucha precisión y hacer que ejecute movimientos de flexión continuamente variables o que vibre a una frecuencia o amplitud deseadas. Básicamente, estamos creando un motor ultraligero, pero eficiente y que ahorra energía», afirma Motzki.
Tanto las películas dieléctricas como los cables con memoria de forma son capaces, por naturaleza, de proporcionar información a través de cambios en su capacitancia o resistencia eléctrica, lo que elimina por completo la necesidad de sensores externos. «Podemos utilizar estos valores medidos para determinar cómo se deforman la película o los cables. Nuestra tecnología es esencialmente autosensitiva, ya que tiene sus propios sensores de posición incorporados», añade. «Utilizamos inteligencia artificial para asignar estas mediciones eléctricas a secuencias de movimiento específicas, lo que nos permite controlar con gran precisión el movimiento de nuestros actuadores, accionamientos o motores».
Horizonte Europa
es el noveno programa marco de investigación de la UE y la mayor iniciativa de financiación única del mundo para la investigación y la innovación. Su objetivo es fomentar una sociedad basada en el conocimiento y la innovación y construir una economía competitiva, al tiempo que se promueve el desarrollo sostenible.
Las becas de inicio del ERC son concedidas por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) para apoyar a los investigadores que se encuentran en los inicios de su carrera y que persiguen enfoques prometedores en áreas de investigación básica.
Prof. Dr. Paul Motzki
es profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes en la Universidad del Sarre y director científico del Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken (ZeMA), donde dirige la división de investigación de Sistemas de Materiales Inteligentes.
Estudió mecatrónica en la Universidad del Sarre, donde se doctoró en 2018 por su investigación en el campo de las aleaciones con memoria de forma térmica. En 2016, asumió la dirección del grupo de investigación de Sensores y Actuadores del ZeMA. Tras completar su doctorado en 2018, pudo ampliar aún más su grupo de investigación en el ZeMA, lo que condujo a la creación de la división de investigación de Sistemas de Materiales Inteligentes. En 2022, Paul Motzki fue nombrado profesor asociado en la Universidad del Sarre (Departamento de Ingeniería de Sistemas) y en ZeMA Smart Material Systems for Innovative Production (SMiP). Desde 2023, Motzki es presidente del Comité Técnico GMA 2.16 de la VDI/VDE: Materiales y Sistemas Inteligentes. También es miembro de la junta directiva de la red smart3, director de la junta directiva de SMST en ASM International, miembro del Senado de ASME SMASIS y cofundador de la Sociedad Internacional de Elastocalorics (IES).
