A tecnologia elastocalórica pode ser a próxima

Jan 12, 2024

O ar condicionado, a refrigeração e outras tecnologias de refrigeração são responsáveis ​​por mais de 20% do consumo global de energia atual, e os refrigerantes HFC têm um PAG milhares de vezes superior ao do dióxido de carbono. Na edição de 18 de maio da revista Science, uma equipe liderada pelo professor Ichiro Takeuchi, de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) da Universidade de Maryland, e pelos professores Reinhard Radermacher e Yunho Hwang de Engenharia Mecânica (ME), apresentou um sistema de resfriamento elastocalórico de alto desempenho que não apenas atende preocupações com as alterações climáticas, mas poderá representar a próxima geração de dispositivos de refrigeração.

O artigo detalha o trabalho de Takeuchi e sua equipe no que ele descreve como “uma tecnologia de resfriamento completamente diferente, completamente verde e ecologicamente correta”. A primeira autora do artigo, Suxin Quian, PhD '15, foi a primeira aluna de Radermacher a trabalhar no projeto. O segundo autor, David Catalini, PhD '20, seguiu esses passos, trabalhando no projeto, operação e teste do novo sistema de resfriamento.

Materiais calóricos, incluindo materiais magnetocalóricos, eletrocalóricos e elastocalóricos podem sofrer transição de fase e liberar e absorver calor mediante aplicação de vários campos. A principal característica do sistema elastocalórico é a compressão e liberação de tubos de nitinol (NiTi) resistentes à fadiga configurados em uma arquitetura versátil e multimodo de troca de calor. Para tornar tais materiais comercialmente viáveis, eles devem atender a requisitos rigorosos: poder de resfriamento suficiente, eficiência energética superior, resistência suficiente a falhas, disponibilidade adequada de ingredientes e baixo custo.

“Há mais de uma década, estávamos apenas brincando com um fio NiTi”, descreve Takeuchi. “Ao esticá-lo, você pode obter um efeito de resfriamento substancial que pode ser sentido com a mão. Foi então que começamos a pensar em aplicar o conceito a um dispositivo de refrigeração.” Por mais de dez anos, o trabalho do laboratório foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

No recente artigo da Science, a equipe de Takeuchi observou: “Para capturar os melhores aspectos do ciclo de regeneração ativa e da operação de grande utilização em um único protótipo prático, desenvolvemos um sistema de resfriamento elastocalórico multimodo aproveitando a grande amplitude de temperatura do modo de regeneração ativa e o resfriamento eficiente do modo de utilização máxima. No protótipo, os dois modos podem ser facilmente alternados de um para o outro, controlando as sequências de operação das válvulas na rede de fluido de troca de calor.”

Com a nova tecnologia, os materiais permanecem no estado sólido em comparação com os refrigerantes tradicionais, como os HFCs, que funcionam mudando as fases gasosa e líquida. O novo sistema tem uma potência de resfriamento de 260 watts de potência útil de resfriamento e uma faixa de temperatura máxima de 22,5 Kelvin – uma das mais altas relatadas para qualquer sistema de resfriamento calórico.

“Nossa tecnologia, desenvolvida nos últimos oito anos, tem sido capaz de demonstrar dispositivos e sistemas que podem funcionar no mesmo nível dos sistemas magnetocalóricos, que existem desde a década de 1980”, diz Takeuchi. A equipe está agora trabalhando para alcançar um desempenho mais alto e um maior aumento de temperatura do dispositivo, bem como identificar um material mais macio para obter o mesmo efeito com uma força ou estresse substancialmente menor.

“Há vinte anos, estávamos validando uma teoria de transformação de fase, trabalhando em um aspecto diferente do mesmo material para otimizar uma liga com memória de forma – um material atuador – para prolongar a vida útil em fadiga”, explica Takeuchi. “A chave para fornecer dispositivos comerciais competitivos é identificar materiais acessíveis que possam sofrer grandes mudanças de temperatura, reverter facilmente e resistir a ciclos prolongados, em alguns casos milhões de, sem quebrar.”

Os cálculos da equipe indicam que a eficiência geral do sistema poderia ser melhorada por um fator de seis com o uso de atuadores mais eficientes. Além disso, os pesquisadores esperam melhorar a eficiência trocando o NiTi por um material conhecido à base de cobre que exibe uma mudança de temperatura elastocalórica semelhante sob menor estresse.