Forma

Mar 03, 2024

Um protótipo de motor de calor residual funciona circulando água quente e fria através de seus pistões

Há meia década, um cientista, um engenheiro e um empresário reuniram-se num quintal de Dublin para realizar uma experiência. Eles aqueceram água em uma máquina de chá elétrica e depois a despejaram em um pedaço de cano cortado ao meio. No fundo do half-pipe havia um pedaço de arame e um dos homens segurava uma régua ao lado dele. À medida que a água quente jorrava pelo cano, o fio encurtava vários centímetros; quando derramaram água fria sobre ele, ele voltou ao comprimento original. O trio pensou que poderia estar no caminho certo.

O estranho fio que eles testaram era feito de um material chamado liga com memória de forma. Tais metais(e alguns não metais) mudam para dentro e fora de formas predeterminadas quando submetidos a certas temperaturas ou a pressão ou estímulos elétricos. Inventada há 60 anos, a liga com memória de forma tem sido usada em áreas como biomedicina e engenharia aeronáutica. Mas uma de suas aplicações mais teimosamente evasivas é a captação de energia a partir de água quente. Agora, esses antigos experimentalistas de quintal – fundadores de uma empresa chamada Exergyn – dizem que criaram um motor que utiliza fio de transformação e água quente que sobra de processos industriais para gerar eletricidade.

Cerca de um terço da energia utilizada pela indústria nos EUA perde-se sob a forma de calor, segundo algumas estimativas. “Muita energia é desperdiçada em processos industriais ou durante a troca de calor, quando a água é usada para resfriar máquinas ou usinas de energia”, diz Rigoberto Advincula, professor de ciência macromolecular na Case Western University e especialista em calor residual que não é conectado ao Exergyn. A água aquecida produzida como subproduto de aplicações industriais – incluindo a geração de eletricidade – não é quente o suficiente para produzir vapor que possa alimentar um motor para acionar um gerador.

Algumas centrais eléctricas e utilizadores industriais enviam as suas águas residuais quentes através de motores secundários, que convertem uma pequena percentagem da energia dessa água em electricidade através de um processo denominado ciclo Rankine orgânico. Esta tecnologia, no entanto, requer produtos químicos para gerar energia a partir da água aquecida. Alguns dos melhores produtos químicos para fazer isso são perigosos ou prejudiciais ao meio ambiente e, portanto, muitas vezes proibidos ou restringidos. Os produtos químicos mais limpos não extraem energia das águas residuais de forma tão eficiente. Isto aumenta os custos operacionais de funcionamento destes motores, o que significa que nem sempre são rentáveis, de acordo com Jonathan Koomey, professor de sistemas terrestres na Escola de Ciências da Terra, Energia e Ambientais da Universidade de Stanford, que não está associado à Exergyn.

É aqui que entram os fios de transformação. As ligas com memória de forma têm propriedades moleculares únicas – elas mudam entre formas predeterminadas dependendo de suas temperaturas. É por isso que este material é o coração do novo motor da Exergyn, que utiliza nitinol, uma variação da liga original com memória de forma. “O nome representa o fato de ser uma liga de níquel (Ni) e titânio (Ti) e o NOL se refere ao [antigo] Laboratório de Artilharia Naval, onde o nitinol foi inventado”, diz Preston MacDougall, professor de química no Middle Tennessee. State University, que não está ligada à Exergyn.

Na escala molecular, o nitinol é estranhamente ordenado. “A maioria das ligas não possui estrutura real em nível molecular. São como soluções de metais, em oposição ao arranjo ordenado dentro de algo como um cristal de sal ou um diamante”, diz MacDougall. As moléculas de nitinol, entretanto, formam cubóides regulares com ângulos de 90 graus. Sob um microscópio, diz MacDougall, parece um monte de caixas de sapatos empilhadas.Aqueça essas moléculas e elas se reorientarão levemente – os ângulos retos tornam-se agudos ou obtusos – de modo que o material se contrai.Resfrie o material e as moléculas recuperam seus ângulos retos, e a liga com memória de forma retorna ao seu tamanho e forma originais.

O motor da Exergyn explora esse comportamento de mudança de forma para transformar água de calor residual em eletricidade. Seus desenvolvedores dizem que o motor poderia ser instalado em um sistema de encanamento de calor residual, onde circularia água quente em suas câmaras de pistão cilíndricas. Cada pistão está preso a um fio de nitinol. “À medida que a água quente entra, [o fio] contrai uma quantidade relativamente pequena, mas o faz de forma muito poderosa”, diz Alan Healy, CEO da Exergyn. Em seguida, o motor circula água fria na câmara do pistão. O nitinol se expande e o pistão salta novamente. Do outro lado do pistão está um fluido viscoso. O pistão em movimento empurra o fluido através de uma transmissão hidráulica que gira um gerador, criando eletricidade. “Usar as propriedades desses materiais para gerar energia parece contra-intuitivo