Física

Nov 09, 2023

Os sistemas de refrigeração que usam materiais que resfriam em resposta a uma força elétrica, magnética ou mecânica aplicada oferecem alternativas ecologicamente corretas aos vazamentos de gases de efeito estufa encontrados na maioria das residências e fábricas (consulte Matéria: Em Busca do Resfriamento do Século XXI). Agora, os pesquisadores demonstraram uma versão escalável e econômica de um desses sistemas chamados de "resfriamento calórico" [1]. Sua abordagem, que usa um material que responde a uma força mecânica, supera os recordes de desempenho estabelecidos por métodos que dependem de campos magnéticos. Os pesquisadores dizem que sua tecnologia também é muito mais barata de fabricar e operar e pode estar pronta para uso comercial dentro de um ano.

Os sistemas de resfriamento baseados em ímãs tiveram um primeiro contato com a fama em 1998, com a demonstração de um sistema próximo à temperatura ambiente que mantinha seu conteúdo frio por 1.500 horas [2]. Nesse sistema, um campo magnético foi aplicado a um material magnetocalórico, resultando em um aumento de temperatura, pois as vibrações atômicas compensavam a entropia perdida como spins desemparelhados no material alinhado. Desligar o campo reverteu esse aumento, permitindo que o material agisse como refrigerante que poderia ser usado nas serpentinas de refrigeração de uma geladeira doméstica. Mas induzir o efeito magnetocalórico requer campos magnéticos fortes (> 1 tesla), que só podem ser fornecidos por ímãs permanentes caros que contêm ligas de terras raras.

Uma abordagem alternativa é usar um material elastocalórico. Tal material sofre uma mudança de temperatura induzida pela entropia quando submetido a uma força mecânica que é grande o suficiente para mudar parcialmente a fase do material. Em 2012, Ichiro Takeuchi, da Universidade de Maryland, descobriu que, quando esticado, um fio comercialmente disponível feito de níquel e titânio (NiTi) sofre essa mudança, com o aumento de temperatura sendo grande o suficiente para ser sentido à mão. Mais tarde, ele descobriu que ocorre uma diminuição da temperatura ao comprimir os tubos de NiTi e, em seguida, usou o efeito em 2016 para desenvolver um sistema de resfriamento eletrocalórico inicial. "Começamos a fabricar sistemas [de resfriamento de baixa potência] usando tubos de NiTi no modo de compressão há cerca de dez anos", diz Takeuchi.

Agora, uma equipe liderada por Takeuchi e Reinhard Radermacher, da Universidade de Maryland, trouxe o resfriamento elastocalórico para a frente da corrida de refrigeração livre de gases de efeito estufa. Vários desafios de engenharia estiveram entre a demonstração de 2016 e a nova, que melhorou a recuperação de fluidos, reduziu a perda de calor devido ao atrito e forneceu feixes de tubos mais densos. No novo dispositivo, a água – o fluido de troca de calor – flui através de dois feixes de tubos de NiTi disponíveis comercialmente. Os dois feixes se conectam por meio de um atuador, que aplica uma carga a um feixe enquanto descarrega o outro, criando assim ciclos de compressão que impulsionam a refrigeração. O sistema pode operar em dois modos diferentes, dependendo da quantidade de água que flui através do sistema durante um ciclo. Um modo otimiza a potência de resfriamento, o outro o intervalo de temperatura. A equipe demonstrou que poderia resfriar o sistema em 22,5 K, em comparação com 4,7 K em seu esquema de 2016.

Ainda assim, os cálculos da equipe indicam que a eficiência geral do sistema pode ser melhorada em um fator de 6 usando atuadores mais eficientes. Além disso, os pesquisadores acham que poderiam melhorar a eficiência trocando o NiTi por um material conhecido à base de cobre que exibe uma mudança de temperatura elastocalórica semelhante sob um estresse menor. Atualmente, esses materiais não estão disponíveis comercialmente, mas Takeuchi diz que está animado para implementá-los em sistemas de resfriamento de baixa tensão.

Os dados de Takeuchi e sua equipe "são muito impressionantes", diz Kilian Bartholomé, que pesquisa conversores de energia térmica no Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medição Física na Alemanha. Ele aponta que quase todos os sistemas elastocalóricos demonstrados usam NiTi que não foi fabricado nem otimizado para uso em dispositivos de refrigeração, o que significa que ainda há "grande potencial" para aumentar o desempenho dos sistemas. Takeuchi acredita que ele e seus colegas serão capazes de melhorar o desempenho de seu sistema o suficiente para tornar a tecnologia comercialmente viável em um ano. A primeira aplicação que ele vislumbra: um refrigerador de vinho compacto.