Demorou, mas o calor já chegou a Espanha. A maioria da população continua a confiar nos aparelhos de ar condicionado para suportar as altas temperaturas, embora o seu elevado consumo e uso de produtos químicos poluentes representem uma ameaça para o bolso e para o ambiente.
Mas nem tudo está perdido: investigadores norte-americanos conseguiram um novo avanço que pode revolucionar os sistemas de ar condicionado, graças a uma nova tecnologia de refrigeração termoelétrica duas vezes mais eficiente em termos energéticos do que os dispositivos atuais.
Uma equipa do Laboratório de Física Aplicada (APL) da Universidade Johns Hopkins (Maryland, EUA) desenvolveu materiais que superam significativamente a capacidade dos sistemas termoelétricos comerciais existentes, conforme revelado num estudo publicado na Nature Communications.
A chave desta nova tecnologia reside nas chamadas estruturas super-redes de engenharia hierárquica controlada (CHESS, na sigla em inglês), destinadas a marcar um marco no desenvolvimento de alternativas escaláveis à refrigeração tradicional baseada em compressores.
«Esta demonstração real de refrigeração com novos materiais termoelétricos evidencia as capacidades das películas finas de nanoengenharia do CHESS», afirmou Rama Venkatasubramanian, investigador principal do projeto, num comunicado de imprensa.
Eficiência sem precedentes
Os aparelhos de ar condicionado convencionais funcionam através de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor que utiliza um refrigerante químico. O compressor bombeia o refrigerante através de um circuito fechado, comprimindo-o até se transformar em gás quente de alta pressão que passa então para o condensador exterior, libertando calor para o ambiente.
O refrigerante líquido passa então por uma válvula de expansão que reduz drasticamente a sua pressão, arrefecendo-o consideravelmente antes de entrar no evaporador interior. Aí, o refrigerante absorve o calor do ar ambiente ao evaporar-se novamente, enquanto um ventilador distribui o ar arrefecido pelo espaço.
Este ciclo contínuo de compressão, condensação, expansão e evaporação requer componentes mecânicos como compressores, ventiladores e bombas que consomem energia e geram ruído, além de serem volumosos.
Em contrapartida, os materiais desenvolvidos durante uma década pelos investigadores da APL arrefecem de forma rápida e eficiente utilizando elétrons para mover o calor através de materiais semicondutores especializados, sem necessidade de peças móveis.
Assim, os novos sistemas de refrigeração concebidos a partir da tecnologia CHESS serão muito mais «silenciosos, compactos, fiáveis e sustentáveis» do que os convencionais, uma vez que não dependerão de refrigerantes químicos que podem ser prejudiciais para o ambiente.
Historicamente, os materiais termoelétricos estavam limitados a pequenos dispositivos, como frigoríficos portáteis. A sua eficiência limitada e a incompatibilidade com a fabricação em escala impediam outros tipos de aplicações de alto desempenho.
Até agora. Porque a tecnologia CHESS supera essas limitações graças ao design de películas finas que abrem a possibilidade de uma produção em massa.
Para obter estas finas camadas de materiais CHESS, os investigadores utilizaram uma técnica de deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD, na sigla em inglês), um processo habitualmente utilizado na produção de luzes LED e células fotovoltaicas para painéis solares.
Novo material
A novidade neste caso é que os engenheiros da APL precisaram apenas de 0,003 centímetros cúbicos de material por unidade de refrigeração, aproximadamente o tamanho de um grão de areia, o que facilita a produção em massa e preços razoáveis.
Os resultados obtidos demonstraram melhorias substanciais no desempenho de refrigeração em comparação com as tecnologias convencionais. Os materiais CHESS alcançaram «quase 100% mais eficiência do que os materiais termoelétricos tradicionais à temperatura ambiente».
Esta melhoria traduziu-se num «aumento de 75% na eficiência ao nível do dispositivo» e de 70% em sistemas de refrigeração totalmente integrados.
Processo de validação
Para verificar os resultados obtidos, os cientistas da APL precisavam de um processo de validação rigoroso. Para isso, colaboraram com a Samsung Electronics, que desenvolveu um protocolo exaustivo através de uma modelação térmica detalhada, quantificando as cargas e os parâmetros de resistência térmica.
Os testes reproduziram em laboratório as condições de funcionamento dos dispositivos num contexto real, a fim de garantir que as melhorias fossem reproduzíveis em ambientes comerciais.
As experiências foram realizadas a uma temperatura de 25 ºC e em condições típicas para a maioria das aplicações de ar condicionado em edifícios residenciais e comerciais.
Graças a estes resultados verificados, a tecnologia poderia servir para diversos fins, «desde alimentar sistemas de refrigeração em pequena escala até dar suporte a aplicações de aquecimento, ventilação e ar condicionado em grandes edifícios», segundo Venkatasubramanian.
Para demonstrar o seu potencial, o principal autor do estudo compara a sua versatilidade com a das baterias de iões de lítio. As suas primeiras aplicações limitavam-se a pequenos dispositivos, como leitores de mp3 ou telemóveis, mas agora já são utilizadas para propulsionar carros, barcos e até aviões.
Além disso, os novos materiais «são capazes de converter diferenças de temperatura, como o calor corporal, em energia utilizável», assegura Jeff Maranchi, diretor da Área de Programas de Exploração da Área de Missão de Investigação e Desenvolvimento Exploratório da APL.
Assim, a variedade de possíveis aplicações amplia-se ainda mais, podendo ser aplicável à «próxima geração de sistemas táteis, próteses e interfaces homem-máquina».
Maranchi está convencido de que o novo material «abre a porta a tecnologias escaláveis de captação de energia para aplicações que vão desde computadores a naves espaciais, capacidades que não eram viáveis com dispositivos termoelétricos mais antigos e volumosos», conclui.
