Não é necessária eletricidade para o arrefecimento de estado sólido: o calor transforma-se em frio
Investigadores desenvolveram — numa estreia mundial — um sistema de refrigeração elastocalórico acionado por calor que aproveita o calor residual e a energia solar para uma refrigeração sustentável
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Os frigoríficos, os sistemas de ar condicionado e os centros de dados consomem enormes quantidades de eletricidade e a procura de refrigeração está em constante aumento. Uma equipa de investigação do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) e da Universidade de Tsukuba, no Japão, apresenta agora uma nova abordagem comprovada por um protótipo, em que o calor assume o papel anteriormente desempenhado por um motor elétrico. Duas películas ultrafinas com memória de forma interagem para converter energia térmica em trabalho mecânico numa primeira etapa e, por fim, em frio mensurável. O seu trabalho abre novas possibilidades para a futura utilização do calor residual e da energia solar no arrefecimento de estado sólido. Os resultados foram publicados na revista *Nature Energy*.
O princípio básico de refrigeração de frigoríficos, sistemas de ar condicionado ou centros de dados tem sido o mesmo há mais de cem anos. Um compressor elétrico transfere o calor transportado por um refrigerante de um local para outro. Uma vez que a procura de refrigeração está em constante aumento, a refrigeração e o aquecimento representam, entretanto, quase metade do consumo energético global. Esta situação é agravada pelo facto de muitos refrigerantes comuns contribuírem para o aquecimento global. O arrefecimento de estado sólido elastocalórico é considerado uma alternativa promissora: as ligas com memória de forma tendem a arrefecer assim que uma carga mecânica previamente aplicada é libertada. No entanto, até agora, mesmo os sistemas elastocalóricos dependiam de um atuador elétrico para gerar a força necessária – o que significa que não podiam utilizar diretamente fontes de calor disponíveis em abundância, como o calor residual ou a energia solar.
Accionado por calor em vez de energia eléctrica
É exatamente aqui que entra em jogo a nova abordagem desenvolvida pela equipa de investigação, que acopla duas películas ultrafinas de níquel-titânio com funções complementares. A primeira película utiliza um efeito de memória de forma: assim que é aquecida, começa a contrair-se, convertendo assim a energia térmica diretamente em trabalho mecânico – sem a ajuda de um motor elétrico. Este movimento transfere-se imediatamente para a segunda película, onde a aplicação e remoção cíclicas de carga provocam alterações reversíveis na estrutura cristalina que geram frio. Assim, o calor substitui o atuador acionado eletricamente, que era anteriormente utilizado para acionar sistemas de arrefecimento elastocalóricos.
«A inovação crucial reside no facto de combinarmos duas funções complementares das ligas com memória de forma, com uma película a converter calor em trabalho mecânico e a outra a converter esse trabalho em frio», afirmou o Dr. Jingyuan Xu, que lidera o Grupo de Jovens Investigadores do Laboratório Térmico ZEco no Instituto de Tecnologia de Microestruturas (IMT) do KIT. «Desta forma, estamos a estabelecer uma nova abordagem para impulsionar o arrefecimento de estado sólido, abrindo assim possibilidades empolgantes para a utilização de calor residual e energia solar.»
Primeiros valores de capacidade de refrigeração confirmados em laboratório
A uma temperatura do atuador de 86 °C, o protótipo deste sistema alcançou uma diferença de temperatura de 4 °C ao nível dos componentes, enquanto a variação de temperatura no refrigerante elastocalórico ascendeu a quase 13 °C. Desta forma, os investigadores conseguiram comprovar, pela primeira vez em experiência, a viabilidade do seu conceito. A configuração também funcionou de forma fiável com uma fonte de calor externa que fornecia 130 °C, demonstrando que o sistema é capaz de funcionar com fontes de calor reais. «O momento decisivo para nós foi quando conseguimos medir o frio que tinha sido efetivamente gerado por um sistema acionado a calor», afirmou Yi-Ting Hsiau, autor principal do estudo e investigador de doutoramento no IMT. «Isto mostrou-nos que o princípio não funciona apenas na teoria.»
A configuração atual foi concebida como um estudo de viabilidade e, por isso, ainda não está otimizada para uma capacidade máxima de refrigeração. A equipa já está a trabalhar na ligação de várias películas em paralelo para aumentar a capacidade de refrigeração. As aplicações potenciais vão desde a refrigeração de processadores em computadores — que poderiam utilizar o seu próprio calor residual para este fim — até à refrigeração de componentes eletrónicos sensíveis em automóveis, utilizando o calor proveniente do sistema de transmissão.
O estudo foi realizado em colaboração com a Universidade de Tsukuba, no Japão, abrindo caminho para um sistema de arrefecimento de estado sólido impulsionado pelo calor, adequado para utilização na prática. «Acreditamos que isto é apenas o começo», afirmou Xu. «Ao ampliar esta tecnologia, pretendemos desenvolver sistemas de refrigeração compactos que aproveitem fontes de calor abundantemente disponíveis para uma refrigeração sustentável.»
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