Resumo:
Na estrutura global de consumo de energia, a procura de aquecimento e arrefecimento representa quase metade do consumo de energia e esta procura continua a aumentar. Por mais de um século, refrigeradores, condicionadores de ar e sistemas de refrigeração de data centers tradicionais confiaram quase exclusivamente em compressores acionados eletricamente e fluidos refrigerantes para transferir calor. Muitos refrigerantes tradicionais também são gases de efeito estufa que contribuem para o aquecimento global.
Hoje, uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), na Alemanha, e da Universidade de Tsukuba, no Japão, fez um grande avanço e desenvolveu com sucesso o primeiro protótipo do mundo de um sistema de refrigeração de estado sólido movido inteiramente por energia térmica, realizando uma nova rota técnica que elimina motores elétricos e converte diretamente calor residual ou energia solar em energia fria.
Este sistema supera o principal gargalo do "Resfriamento Elastocalórico", uma tecnologia de ponta em refrigeração de estado sólido. Como uma alternativa promissora à refrigeração por compressão tradicional, as ligas com memória de forma esfriam quando a carga mecânica aplicada é liberada; no entanto, antes disso, os sistemas de refrigeração elastoméricos existentes ainda dependiam de atuadores acionados eletricamente para fornecer força externa mecânica, o que impedia a tecnologia de utilizar diretamente o calor residual ou a energia solar prontamente disponível do ambiente.
O novo design da equipe conjunta revoluciona esse mecanismo de energia, substituindo os atuadores elétricos tradicionais pela própria “energia térmica”. O núcleo do sistema reside na combinação engenhosa de dois filmes ultrafinos de liga com memória de forma de níquel-titânio com diferentes divisões de trabalho: o primeiro filme atua como um atuador térmico, encolhendo usando o efeito de memória de forma quando aquecido e convertendo diretamente energia térmica em trabalho mecânico sem a necessidade de um motor; esse movimento de deslocamento atua então no segundo filme que desempenha uma função de refrigeração. Ao carregá-lo e descarregá-lo periodicamente, desencadeia mudanças reversíveis na estrutura cristalina do material, gerando continuamente energia fria.
O projeto de pesquisa é liderado pelo Dr. Jingyuan Xu, chefe da jovem equipe de pesquisa do Laboratório de Energia Térmica ZEco do Instituto KIT de Tecnologia de Microestrutura (IMT). Ele ressaltou que a principal inovação desta inovação é combinar duas funções complementares da liga com memória de forma - um filme é responsável por converter energia térmica em trabalho mecânico, e o outro filme converte trabalho mecânico em energia fria. Este projeto estabelece um novo paradigma de unidade de refrigeração de estado sólido, abrindo possibilidades promissoras para a utilização eficiente do calor residual e da energia solar.
Dados experimentais mostram que o protótipo do dispositivo demonstrou com sucesso efeitos de resfriamento mensuráveis em testes de laboratório. Quando o atuador está a uma temperatura de 86 graus Celsius, uma diferença de temperatura de 4 graus Celsius é alcançada em todo o nível do componente, enquanto a mudança de temperatura do próprio refrigerante elástico é próxima de 13 graus Celsius. Além disso, os pesquisadores introduziram uma fonte externa de calor de 130 graus Celsius para testá-lo, e o sistema também manteve uma operação estável e confiável, comprovando plenamente a viabilidade da tecnologia para combinar com a fonte de calor em um ambiente industrial real. Yi-Ting Hsiau, primeiro autor do artigo e pesquisador de doutorado no KIT, disse que ser capaz de medir com os próprios olhos a energia fria realmente produzida pelo sistema de acionamento térmico é um momento muito decisivo, o que confirma que o princípio teórico não é de forma alguma apenas um pedaço de papel.
O protótipo do dispositivo fabricado atualmente é usado principalmente para verificação de conceito e demonstração de viabilidade e ainda não foi otimizado para capacidade máxima de resfriamento. A equipe de pesquisa está atualmente tentando aumentar exponencialmente a capacidade geral de resfriamento do sistema, estendendo múltiplas camadas de filmes em paralelo. À medida que a tecnologia amadurece gradualmente e se torna miniaturizada, os seus cenários de aplicação futuros são muito amplos: processadores de computador ou unidades de servidor podem “utilizar o calor residual que emitem para se arrefecerem”. O calor residual gerado pelo trem de força automotivo também pode ser convertido diretamente em uma fonte de energia de resfriamento para componentes eletrônicos automotivos sensíveis. A equipa de investigação científica afirmou que esta conquista é apenas o começo. No futuro, com a expansão do sistema e a implementação de um design compacto, espera-se que a enorme quantidade de calor residual ambiental que pode ser vista em todo o lado seja convertida em recursos de refrigeração verdes e sustentáveis.
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