Energia
Adeus, Refrigerantes! Novas Descobertas sobre Resfriamento de Estado Sólido podem Revolucionar Como Abordamos as Necessidades Térmicas em Eletrônicos
Os refrigerantes foram um dos recursos mais definidores do nosso mundo tecnológico contemporâneo. É graças aos refrigerantes que podemos preservar alimentos, transportá‑los de um lugar para outro e tornar itens perecíveis utilizáveis para consumo por um período mais longo.
O mercado de produtos refrigerantes está crescendo e continuará a crescer, de acordo com estimativas de mercado. Dados disponíveis indicam que o valor total dos produtos refrigerantes em todo o mundo foi de 20,05 bilhões de dólares em 2022, e pode subir para 36,77 bilhões de dólares até 2030, mais de 1,8 vezes em oito anos.
No entanto, o crescimento no mercado de refrigerantes não indica que a indústria esteja se tornando estagnada. Na verdade, o aumento nas vendas e a expansão do mercado não excluem a inovação. Pelo contrário, esse crescimento frequentemente impulsiona o desenvolvimento de novas tecnologias e abordagens. Um esforço de pesquisa recente liderado pelo Laboratório Nacional Oak Ridge, do Departamento de Energia, resultou em uma nova compreensão científica que pode ajudar a alcançar o resfriamento de estado sólido.
Nos próximos segmentos, aprofundaremos nossa compreensão desse fenômeno melhor.
O Paradigma Transformador do Resfriamento de Estado Sólido
A principal conquista da equipe de pesquisadores foi fechar a lacuna de conhecimento na ciência do movimento térmico em escala atômica. Em um nível mais funcional, o sucesso da pesquisa repousa em uma compreensão mais profunda de materiais e dispositivos.
O material, neste caso, é uma liga de memória de forma magnética de níquel‑cobalto‑manganês‑índio que pode ser deformada e depois retornar à sua forma original ao ser conduzida por uma transição de fase, seja aumentando a temperatura ou aplicando um campo magnético.
O dispositivo, por outro lado, compreende um conjunto de instrumentos de espalhamento de nêutrons que podem examinar um material em escala atômica.
Como o Material Surgiu como um Candidato Ótimo para o Resfriamento de Estado Sólido
O experimento mostrou que a liga de memória de forma magnética de níquel‑cobalto‑manganês‑índio poderia ser conduzida através de uma transição de fase ao aumentar a temperatura ou aplicar um campo magnético.
Quando submetido a um campo magnético, o material passou por uma transição de fase estrutural e magnética: absorveu e liberou calor, em termos simples. Esse efeito está no cerne do fenômeno de resfriamento de estado sólido. Em outras palavras, o resfriamento de estado sólido aproveita esse efeito para proporcionar refrigeração.
Nesse mecanismo de resfriamento, o material atinge o que é conhecido como estado vítreo ferroico, o que aprimora sua capacidade de armazenar e liberar calor.
Ao elaborar a ciência por trás do experimento, Michael Manley, pesquisador sênior do grupo de espalhamento de nêutrons e raios X no ORNL, disse o seguinte:
“O espalhamento de nêutrons mostra que a capacidade de resfriamento da liga de memória de forma magnética é triplicada pelo calor contido nesses modos híbridos magnon‑fonon locais que se formam devido à desordem no sistema. Essa descoberta revela um caminho para criar materiais melhores para aplicações de resfriamento de estado sólido que atendam às necessidades da sociedade.”
Os Modos Híbridos Magnon‑Fônon
Os magnons e fônons são também conhecidos como ondas de spin e vibrações. Eles existem como um casal no material em formas de dança sincronizadas em pequenas regiões distribuídas ao longo da disposição desordenada dos átomos. O padrão comportamental regional dos modos híbridos magnon‑fônon tem implicações cruciais nas propriedades térmicas de um material.
Explicando as implicações desses modos híbridos e seus movimentos, Manley acrescentou:
“Interações de longo e curto alcance se manifestam como vibrações localizadas e ondas de spin, o que significa que ficam aprisionadas em pequenas regiões. Isso é importante porque esses estados vibracionais localizados adicionais armazenam calor. Alterar o campo magnético desencadeia outra transição de fase na qual esse calor é liberado.”
No conjunto, o experimento abriu uma nova fronteira na pesquisa de resfriamento de estado sólido ao demonstrar que o controle adequado das funções da liga de memória de forma magnética pode transformá‑la em uma esponja de calor e prepará‑la para um resfriamento de estado sólido eficiente, sem a necessidade de refrigerantes tradicionais ou componentes mecânicos.
Embora essa pesquisa seja, sem dúvida, um avanço, deve‑se sempre lembrar que o resfriamento de estado sólido não é um fenômeno recente. Teoricamente, o fenômeno existe desde 1834, quando o físico francês Jean Charles Athanase Peltier descobriu o efeito Peltier.
No próximo segmento, analisaremos brevemente o fenômeno do Efeito Peltier e os Refrigeradores Termoelétricos que aproveitam o efeito Peltier.
A Gênese do Resfriamento de Estado Sólido e dos Refrigeradores Termoelétricos
Scientificamente, o efeito Peltier é definido como o “fenômeno em que um condutor, mantido a uma temperatura constante e com uma corrente elétrica passando por ele, gera uma corrente térmica. Essa corrente térmica ajuda a remover o calor produzido pela corrente elétrica.”
Em outras palavras, o efeito Peltier surge de uma situação em que a corrente elétrica que flui através da junção que conecta dois materiais emite ou absorve calor por unidade de tempo na junção para equilibrar a diferença no potencial químico dos dois materiais.
O efeito Peltier ajuda a formular um refrigerador eletrônico conhecido como refrigerador Peltier. Os dispositivos Peltier também são conhecidos como refrigeradores termoelétricos, que consistem em um conjunto de materiais semicondutores, compostos de telureto de bismuto, conectados em série e intercalados entre duas placas cerâmicas.
Com corrente contínua passando por um TEC, os elétrons no material semicondutor movem‑se do lado quente para o lado frio, transportando calor consigo e fazendo com que um lado do dispositivo esfrie enquanto o outro aquece.
A razão pela qual a comunidade científica ainda debate o fenômeno do resfriamento de estado sólido e tem interesse em explorá‑lo é porque ele possui muitos benefícios e aplicações práticas. Analisaremos essas vantagens e aplicações nos próximos segmentos.
Os Muitos Benefícios e Aplicações do Resfriamento de Estado Sólido
O resfriamento de estado sólido pode se tornar mais eficiente em energia do que os sistemas de refrigeração convencionais, pois são capazes de converter uma porcentagem maior de energia elétrica em potência de resfriamento.
Eles também são mais compatíveis para integração quando se trata de fontes de energia renovável, incluindo painéis solares. Além de possuir uma pegada de carbono baixa, o resfriamento de estado sólido não contribui para a degradação da camada de ozônio e, portanto, é mais ecológico do que tecnologias de refrigeração baseadas em refrigerantes ou outros fluidos.
O resfriamento de estado sólido também obtém alta pontuação nos aspectos de confiabilidade e durabilidade. Como não possui partes móveis ou fluidos circulantes, sofre menos falhas mecânicas e requer menos manutenção. Muitos eletrodomésticos podem aproveitar a tecnologia de resfriamento de estado sólido.
Alguns exemplos de aparelhos incluem geladeiras, condicionadores de ar ou refrigeradores de vinho. Há uma crescente discussão sobre como usar o resfriamento de estado sólido em veículos elétricos e híbridos para refrigerar baterias e outros componentes. Isso poderia contribuir para um desempenho aprimorado e maior autonomia.
Um mecanismo de resfriamento de estado sólido também é considerado adequado como sistema alternativo de refrigeração de cabine em veículos modernos. Um estudo científico investigou a viabilidade de um sistema de ar‑condicionado automotivo que utilizasse resfriamento de estado sólido. Os resultados mostraram que a aplicação de dispositivos de resfriamento TE pequenos e flexíveis ofereceu mais possibilidades para um sistema de ar‑condicionado automotivo eficiente.
O estudo também investigou os perfis de velocidade e temperatura do resfriamento TE localizado, projetado para melhorar o conforto humano ao fornecer fluxo de ar uniforme na cabine. Uma melhoria estimada de quase 9% foi obtida quando esse arranjo foi comparado ao sistema de refrigeração convencional em termos de conforto humano.
Muitos benefícios e aplicações do resfriamento de estado sólido inspiraram empresas a investir em pesquisa e recursos nas técnicas e métodos de resfriamento de estado sólido.
Nos segmentos a seguir, discutiremos algumas dessas empresas e suas soluções específicas.
#1. CUI Devices
A CUI Devices é conhecida por sua gama de dispositivos Peltier. Ela oferece um portfólio de módulos Peltier de estágio único, módulos Peltier de múltiplos estágios e unidades de resfriamento Peltier.
A unidade de resfriamento Peltier CPM-2F de 6,0 A, por exemplo, vem com uma estrutura de vedação aprimorada para resistência à água e absorção de estresse térmico. Ela pode ser instalada facilmente e atende idealmente às necessidades de aplicações industriais de alta densidade e alta potência, bem como de refrigeração.
A empresa também possui duas variantes adicionais, CPM-2C e CPM-2H, oferecendo serviços otimizados nas escalas de 7 A e 8,5 A, respectivamente.
Se analisarmos o perfil geral de produtos da CUI Devices neste segmento, ela oferece uma variedade de módulos Peltier de estágio único e múltiplos estágios, bem como unidades de resfriamento Peltier, com tamanhos de 3,4 a 70 mm, perfis tão baixos quanto 1,95 mm, correntes de 0,7 a 20 A e variações de temperatura de 70 a 105 °C. A empresa se orgulha da confiabilidade aprimorada de seus produtos, desempenho superior e vida útil de ciclo aumentada.
A CUI Devices, com sede em Tualatin, Oregon, Estados Unidos, é uma fabricante de componentes eletrônicos que oferece soluções de interconexão, áudio, gerenciamento térmico, movimento e sensores. Em outubro de 2023, o grupo de gerenciamento térmico da CUI Devices lançou um serviço de design térmico para identificar pontos críticos potenciais, otimizar o fluxo de ar e projetar sistemas de resfriamento eficazes adaptados às necessidades específicas de cada cliente.
#2. Coherent Corp
Os sistemas de resfriamento da Coherent Corp oferecem uma variedade de soluções industriais e de telecomunicações, incluindo formatos padrão e personalizados, todos construídos em torno de um “Core” comum baseado em dispositivos TEC eficientes. Além dos dispositivos TEC, esse núcleo também integra dissipadores de calor/frio, termistores/RTDs e chicotes de cabos.
Um dos produtos de tecnologia de resfriamento de estado sólido mais conhecidos da Coherent inclui os sistemas de resfriamento ar‑para‑ar Climatherm (CTA). Baseada na tecnologia de resfriamento TEC de estado sólido da empresa, a solução protege os eletrônicos dos clientes de condições extremas com até 250 W de potência de resfriamento em um pacote leve e compacto.
Os refrigeradores do produto apresentam um design compacto, leve e em conformidade com a RoHS da UE, proporcionando transferência de calor altamente eficiente. As aplicações típicas incluem resfriamento de invólucros eletrônicos, armazenamento de alimentos e bebidas, resfriamento de gabinetes de baterias e instrumentos de laboratório.
(COHR )
De acordo com os registros financeiros mais recentes disponíveis, a empresa registrou uma receita anual de US$ 5,16 bilhões para o ano que terminou em 30 de junho de 2023. Foi um aumento significativo em relação ao registro do ano anterior, de US$ 3,317 bilhões, que terminou em 30 de junho de 2022.
O Futuro do Resfriamento de Estado Sólido
Para dizer suavemente, o futuro do resfriamento de estado sólido parece promissor, sem dúvidas. As comunidades científicas e de tecnologia comercial ao redor do mundo reconheceram seu potencial como algo que pode enfrentar de frente os desafios do aquecimento global e das mudanças climáticas.
Além das marcas experientes e consolidadas, surgiram empresas inovadoras como a Phononic. Sua inovação em resfriamento de estado sólido, refrigeração e HVAC utiliza apenas água misturada com CO₂ naturalmente disponível, com um GWP de apenas 1, oferecendo a menor classificação de GWP da indústria. Aqui, GWP significa Potencial de Aquecimento Global.
A Phononic acredita que seu design de estado sólido tem o potencial de representar uma nova e empolgante forma de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, apoiar os objetivos climáticos da ONU e atender às exigentes necessidades de desempenho do mercado.
No entanto, há alguns desafios que o Resfriamento de Estado Sólido precisará enfrentar para atender de forma eficiente às necessidades térmicas em eletrônicos no futuro. Ele precisa se tornar acessível, pois o custo dos materiais termoelétricos pode ser consideravelmente mais alto em comparação com os sistemas de refrigeração tradicionais. Os pesquisadores terão de trabalhar de forma mais agressiva e rápida na exploração de materiais alternativos e processos de fabricação mais econômicos para resolver esse desafio.
A ampliação da produção com o resfriamento de estado sólido no núcleo também enfrentará um desafio de eficiência, já que os materiais termoelétricos ainda ficam atrás dos sistemas tradicionais de compressão de vapor em certas aplicações. Os cientistas precisarão conduzir testes mais rigorosos para descobrir maneiras de melhorar a eficiência dos materiais termoelétricos.
Finalmente, os sistemas de resfriamento de estado sólido precisarão melhorar seus perfis de gerenciamento térmico para dissipar eficientemente o calor gerado no lado quente do refrigerador termoelétrico. Isso é crucial para manter o desempenho ótimo do sistema.
Globalmente, os pesquisadores reconheceram os benefícios do resfriamento de estado sólido. Eles estão investigando novos materiais e técnicas de aprimoramento de desempenho. Esperamos que em breve vejamos uma maior adoção do resfriamento de estado sólido em casos de uso industriais e comerciais.
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