Novo sistema de resfriamento elastocalórico mostra-se promissor para uso comercial

Um sistema de resfriamento elastocalórico que absorve o calor à medida que a tensão é liberada em feixes de tubos metálicos foi desenvolvido por uma equipe de pesquisadores nos EUA e na China. Liderado por Ichiro Takeuchi, da Universidade de Maryland, o esquema da equipe alcançou um desempenho de resfriamento equivalente ao de outros materiais calóricos e poderá abrir caminho para uso comercial em um futuro não muito distante.

Os sistemas de refrigeração convencionais geralmente empregam gases que têm poderosos efeitos de estufa se libertados na atmosfera. Como resultado, os pesquisadores estão desenvolvendo tecnologias alternativas de refrigeração de estado sólido baseadas em materiais calóricos. Esses materiais sofrem mudanças de temperatura quando expostos a campos magnéticos ou elétricos externos, ou em resposta a tensões ou pressões mecânicas. Além de evitar produtos químicos nocivos, os sistemas de refrigeração baseados em materiais calóricos também poderiam ser mais eficientes em termos energéticos do que os frigoríficos existentes.

Até agora, esta investigação centrou-se principalmente em materiais magnetocalóricos – mas, mais recentemente, os materiais elastocalóricos surgiram como candidatos ainda mais promissores para o arrefecimento calórico comercial. Entre esses materiais está a liga de níquel titânio (NiTi), altamente elástica e de fácil fabricação.

Como a equipe de Takeuchi mostrou pela primeira vez há mais de uma década, fios finos dessa liga podem expelir grandes quantidades de calor quando sob tensão e absorvê-lo quando a tensão é liberada. “Há cerca de 12 anos, descobrimos que o NiTi pode exibir experimentalmente uma grande variação de temperatura, que você pode sentir com a mão”, lembra Takeuchi. “Na época, demonstramos isso adicionando tensão aos fios de NiTi prontamente disponíveis. Foi assim que começamos a fabricar dispositivos elastocalóricos.”

Os pesquisadores então começaram a trabalhar no desenvolvimento de aplicações de resfriamento comercialmente úteis. No entanto, a implementação do resfriamento elastocalórico em larga escala revelou-se um desafio técnico significativo. O principal problema é que ciclos repetidos de tensão e liberação danificam os fios de NiTi, limitando sua vida útil prática.

Para enfrentar este desafio, a equipe de Takeuchi desenvolveu um novo sistema de troca de calor pelo qual a água é bombeada através de feixes de tubos de NiTi. “Levamos muito tempo para superar vários desafios de engenharia, mas com a nossa demonstração recente, conseguimos demonstrar o que imaginávamos há 10 anos. Estamos usando água como fluido de troca de calor – tornando a água mais fria, para que ela possa ser usada para refrigeração ou ar condicionado”, explica Takeuchi.

A equipe usou duas quantidades para avaliar o sucesso da abordagem. A primeira é a “potência de resfriamento fornecida”, que descreve a taxa de remoção de calor. A segunda é a “amplitude de temperatura”, que descreve a diferença de temperatura entre a água em cada extremidade do sistema. “Para esses dois números importantes, conseguimos atingir 260 W e 22,5 K, respectivamente”, diz Takeuchi. Os pesquisadores maximizaram cada um desses valores, simplesmente ajustando as sequências de operação das válvulas em seu sistema de troca de calor.

Estes últimos resultados são um exemplo de como os materiais elastocalóricos estão a acompanhar o desempenho de arrefecimento dos seus homólogos magnetocalóricos, e poderão em breve ser candidatos viáveis ​​para sistemas de arrefecimento comerciais.

O resfriamento do estado sólido é obtido por meio de deformação induzida por campo elétrico

No entanto, Takeuchi admite que o uso prático de materiais elastocalóricos ainda pode estar um pouco distante, pois provavelmente exigirá o desenvolvimento de materiais mais avançados primeiro. “A alta tensão exigida pelo NiTi ainda é um problema, mas há materiais no horizonte, outros materiais superelásticos, que são conhecidos por apresentarem efeitos elastocalóricos com tensões muito menores”, afirma.

“Esses materiais estão menos desenvolvidos e ainda não estão disponíveis comercialmente, mas acreditamos que o desenvolvimento adicional desses materiais e sua implementação em sistemas de resfriamento de baixo estresse é uma perspectiva realmente interessante.” A equipe de Takeuchi já traçou planos para um refrigerador de vinho compacto e elastocalórico e espera demonstrar um protótipo de sucesso assim que esses materiais estiverem disponíveis.