Pesquisadores da Universidade de Maryland estão desempenhando um papel importante no futuro do ar condicionado favorável ao clima

Graças ao financiamento consistente do Departamento de Energia, o Centro de Engenharia de Energia Ambiental vem melhorando o cenário global de conversão de energia.

À medida que as temperaturas globais continuam a aumentar a uma taxa perigosa, o mesmo acontece com o número de unidades de ar condicionado em uso. Pesquisadores do Center for Environmental Energy Engineering da University of Maryland têm trabalhado por anos em projetos financiados pelo Department of Energy para implementar tecnologias que podem ser a solução para tornar essas máquinas mais eficientes e ecológicas à medida que a dependência delas cresce.

Por décadas, os condicionadores de ar usaram produtos químicos conhecidos como hidrofluorcarbonetos (HFCs), gases de efeito estufa altamente potentes com alto potencial de aquecimento global, como agentes de resfriamento. Encontrar um refrigerante alternativo tem sido uma das principais prioridades dos pesquisadores em todo o mundo, e o ritmo de seu trabalho aumentou após a aprovação do AIM Act em 2020 e a ratificação do Senado da Emenda de Kigali em 2022, ambos os quais pedem uma redução gradual dos HFCs.

Uma alternativa promissora conhecida como resfriamento elastocalórico surgiu de uma parceria entre as equipes do Dr. Reinhard Radermacher, professor de engenharia mecânica e diretor do CEEE, e do Dr. Ichiro Takeuchi, professor e presidente interino do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UMD. Takeuchi estava trabalhando com um colega no início dos anos 2000 com planos de usar ligas de níquel-titânio para stents médicos, mas eles finalmente mudaram de direção quando perceberam que o material tinha outros potenciais: enquanto experimentavam fios de níquel-titânio, eles descobriram que podiam criar um efeito de resfriamento tangível esticando-o e liberando-o.

Para buscar essa possibilidade, eles solicitaram financiamento da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada – Energia, uma subdivisão do Departamento de Energia, quando Radermacher entrou em contato com Takeuchi e pediu para combinar a experiência em materiais de Takeuchi com a experiência em resfriamento da CEEE.

O CEEE, fundado em 1991 por Radermacher e outros membros do corpo docente, é um centro de pesquisa dedicado a encontrar maneiras de tornar a conversão de energia mais ambientalmente responsável, com grande parte de sua pesquisa sendo focada na eficiência de bombas de calor em particular. O centro normalmente tem mais de uma dúzia de projetos acontecendo em um determinado momento, administrados por uma equipe de membros do corpo docente e alunos de pós-graduação.

“O objetivo era ter um braço de pesquisa que conduzisse o trabalho próximo às necessidades da indústria para que o resultado tivesse benefícios de curto prazo e apoiasse os alunos na experiência de treinamento relevante para a indústria com uma transição suave e eficaz para os empregos”, disse Radermacher. Eles fizeram grandes contribuições para o campo, como desenvolver software de design de ar condicionado com o objetivo de atingir o melhor desempenho, mantendo-se relativamente barato, que é usado por fabricantes ao redor do mundo. Pessoas afiliadas ao centro publicaram centenas de artigos acadêmicos relacionados às suas descobertas de pesquisa.

“A razão pela qual fomos um grande player por um longo tempo, e ainda somos, é por causa dessa colaboração entre nossa expertise em materiais e a expertise em engenharia e tecnologia HVAC do centro de Reinhard. É realmente um casamento perfeito entre os dois”, disse Takeuchi.

Desse casamento surgiu uma técnica conhecida como resfriamento elastocalórico, que envolve a aplicação de estresse mecânico em ligas superelásticas com memória de forma, como ligas de níquel-titânio. O metal libera uma grande quantidade de calor quando essa tensão é aplicada e pode absorvê-lo quando a tensão é liberada, criando assim um efeito de resfriamento. Embora a liga não tenha um efeito de resfriamento tão forte quanto os HFCs, é uma alternativa promissora, pois os metais são mais estáveis ​​do que o gás e tanto o níquel quanto o titânio ocorrem naturalmente, o que significa que não são prejudiciais ao meio ambiente, de acordo com Takeuchi.

Além da equipe de Takeuchi, Radermacher credita muito do sucesso deles ao financiamento do DOE. No outono passado, o centro recebeu US$ 5 milhões para apoiar três projetos diferentes relacionados à tecnologia de trocadores de calor e bombas de calor. Sem esse tipo de financiamento, Radermacher disse que seria “extremamente difícil fazer progresso significativo” em sua pesquisa de resfriamento elastocalórico, considerando o quão diferente seu trabalho é das técnicas de resfriamento existentes.

“No nosso caso, queremos comprimir o metal”, disse Radermacher. “Pense em um feixe de tubos de metal, e agora você os comprime para que fiquem um pouco mais curtos. Você precisa fazer isso em um dispositivo onde você pode extrair o calor ou o frio dos tubos enquanto eles ainda estão sendo comprimidos. Isso não é feito habitualmente, então requer alguma criatividade para obter o efeito de aquecimento e resfriamento desse material.”

Embora Radermacher e Takeuchi sejam os pesquisadores originais trabalhando nessa tecnologia, o conceito vem ganhando força ao redor do mundo, levando a uma competição saudável entre vários laboratórios. Elastocalóricos foram apresentados na lista do Fórum Econômico Mundial das 10 principais tecnologias emergentes de 2024.

Na CEEE, o objetivo final deste projeto é criar um sistema de resfriamento que não envolva um fluido que libere algo na atmosfera. Enquanto isso, os pesquisadores gostariam de se concentrar em fazer um sistema que tenha capacidade de resfriamento significativa que seja acessível, não muito pesado e funcione de forma eficiente. Takeuchi disse que nos próximos dois anos, ele pode visualizar pequenos refrigeradores e refrigeradores de vinho sendo as primeiras aplicações deste resfriamento elastocalórico, já que os dispositivos atuais são adequados para uma aplicação de refrigeração em menor escala.

“Em toda tecnologia calórica, há uma tendência clara”, disse Takeuchi. “Estamos estagnando na densidade de energia, o que é uma indicação de que chegamos a um ponto em que a tecnologia amadureceu o suficiente para que agora tudo o que precisamos fazer seja aumentar a escala, e então deveríamos ser capazes de começar a realizar aplicações reais.”