Geladeiras de estado sólido impulsionadas por músculo artificial metálico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/05/2023

Esquema do processo de fundição e tratamento térmico da nova liga.
[Imagem: Yuya Kawarada et al. - 10.1088/2515-7655/acc5b2]

Ligas elastocalóricas

O efeito elastocalórico é um fenômeno pelo qual um material apresenta uma mudança de temperatura quando é exposto a um estresse mecânico, como um esticamento.

A mudança de temperatura ocorre devido a uma diferença de entropia resultante de uma transformação dos grânulos que compõem a estrutura cristalina do material.

Tem havido um grande interesse nesses materiais porque eles viabilizam a fabricação de um tipo de geladeira de estado sólido que pode ser energeticamente mais eficiente do que as geladeiras atuais, baseadas em compressores, além de muito mais baratas.

Os materiais elastocalóricos mais promissores pertencem à família da ligas com memória de forma superelásticas, uma espécie de músculo artificial metálico, que suporta uma distensão e então retornam automaticamente à sua forma original - daí o nome "memória de forma".

As ligas à base de cobre (Cu) - na verdade elas são formadas por Cu, alumínio (Al) e zinco (Zn) - são particularmente promissoras porque são baratas e exigem níveis modestos de estresse para desencadear a variação de temperatura - tipicamente elas resfriam quando são esticadas.

Só que havia um problema para o uso prático dessa tecnologia: As ligas de Cu-Al-Zn sofrem de problemas de fadiga cíclica porque seus grânulos cristalinos são grosseiros, apresentando grandes áreas de fronteira, o que os torna suscetíveis à fratura devido à expansão e contração repetidas.

A boa notícia é que esse problema acaba de ser solucionado por Yuya Kawarada e colegas da Universidade de Tóquio, no Japão.

Os grânulos ficaram maiores, com menos interfaces, o que aumentou a durabilidade da liga e aumentou sua eficiência.
[Imagem: Yuya Kawarada et al. - 10.1088/2515-7655/acc5b2]

60.000 ciclos de aquecimento/resfriamento

Kawarada e seus colegas não mudaram a receita, mas desenvolveram uma nova técnica de fabricação das mesmas ligas Cu-Al-Zn.

Primeiro, eles fundiram os metais a baixas pressões para suprimir a volatilização do zinco. Depois que a liga foi preparada, ela foi resfriada e laminada em lingotes de 7 mm de espessura em três taxas de laminação diferentes (0%, 67% e 83%).

Finalmente, o material foi submetido a um tratamento térmico cíclico, em que a liga foi aquecida e resfriada entre 500 ºC e 900 ºC. O resultado foi duplamente positivo: Além de apresentar um efeito elastocalórico mais forte do que a liga tradicional, as amostras fabricadas pela equipe suportaram mais de 60.000 ciclos de aquecimento/resfriamento sob 2% de tensão.

"Os resultados indicam que o tratamento térmico através do limite de fase periódica, além da taxa de laminação de 67%, é eficaz para o crescimento de grãos do tipo cristalino único," disse o professor Kenjiro Fujimoto. "Com seus grãos maiores e menos contornos de grão, a liga tratada termicamente é muito mais resistente à fratura."

Além disso, o processo de tratamento térmico melhorou muito as propriedades elastocalóricas da liga Cu-Zn-Al. Em comparação com as ligas da mesma composição, a liga tratada termicamente apresentou calor latente de 6,3 J/g na liberação da deformação, o que é quase três vezes o valor medido anteriormente, de 2,3 J/g - isso indica que a nova liga pode resfriar com mais eficiência.

Além de poder viabilizar os refrigeradores elásticos, o efeito elastocalórico aprimorado tem potencial para fornecer soluções de refrigeração inovadoras, já que os aparelhos poderão ter virtualmente qualquer formato ou tamanho, e serem mais baratos.

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