04/01/2023 - 9:30
Adicionar sal a uma estrada antes de uma tempestade de inverno muda quando o gelo se forma. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab) aplicaram esse conceito básico para desenvolver um novo método de aquecimento e resfriamento. A técnica, que eles chamaram de “resfriamento ionocalórico”, é descrita em um artigo publicado na revista Science.
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O resfriamento ionocalórico aproveita como a energia, ou calor, é armazenada ou liberada quando um material muda de fase, como a mudança de gelo sólido para água líquida. A fusão de um material absorve calor do ambiente, enquanto a solidificação libera calor. O ciclo ionocalórico causa essa mudança de fase e temperatura através do fluxo de íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados) que vêm de um sal.
Os pesquisadores esperam que o método possa um dia fornecer aquecimento e resfriamento eficientes, que representam mais da metade da energia usada nas residências, e ajudar a eliminar os atuais sistemas de “compressão de vapor”, que usam gases com alto potencial de aquecimento global para refrigerar. O resfriamento ionocalórico eliminaria o risco de tais gases escaparem para a atmosfera, substituindo-os por componentes sólidos e líquidos.
Animação que mostra o ciclo ionocalórico em ação. Quando uma corrente é adicionada, os íons fluem e mudam o material de sólido para líquido, fazendo com que o material absorva calor do ambiente. Quando o processo é revertido e os íons são removidos, o material se cristaliza em um sólido, liberando calor. Crédito: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Redução de HFCs
“A paisagem dos refrigerantes é um problema não resolvido: ninguém desenvolveu com sucesso uma solução alternativa que esfrie as coisas, funcione com eficiência, seja segura e não prejudique o meio ambiente”, disse Drew Lilley, assistente de pesquisa do Berkeley Lab e doutorando da Universidade da Califórnia em Berkeley que liderou o estudo. “Achamos que o ciclo ionocalórico tem potencial para atingir todos esses objetivos, se for realizado adequadamente”.
Encontrar uma solução que substitua os refrigerantes atuais é essencial para que os países cumpram as metas de mudanças climáticas, como as da Emenda de Kigali (aceita por 145 partes em outubro de 2022). O acordo compromete os signatários a reduzir a produção e o consumo de hidrofluorcarbonos (HFCs) em pelo menos 80% nos próximos 25 anos. Os HFCs são poderosos gases de efeito estufa comumente encontrados em refrigeradores e sistemas de ar condicionado, e podem reter o calor milhares de vezes mais eficazmente do que o dióxido de carbono.
O novo ciclo ionocalórico junta-se a vários outros tipos de resfriamento “calórico” em desenvolvimento. Essas técnicas usam métodos diferentes – incluindo magnetismo, pressão, alongamento e campos elétricos – para manipular materiais sólidos de modo que absorvam ou liberem calor. O resfriamento ionocalórico inova usando íons para conduzir mudanças de fase sólida para líquida. O uso de um líquido tem o benefício adicional de tornar o material bombeável, facilitando a entrada ou saída de calor do sistema – algo com o qual o resfriamento em estado sólido tem lutado.
Eficiência igual ou maior
Lilley e o autor correspondente Ravi Prasher, um afiliado de pesquisa na área de tecnologias de energia do Berkeley Lab e professor adjunto de engenharia mecânica na Universidade da Califórnia em Berkeley, expuseram a teoria subjacente ao ciclo ionocalórico. Eles calcularam que o ciclo tem potencial para competir ou mesmo exceder a eficiência dos refrigerantes gasosos encontrados na maioria dos sistemas atuais.
Eles também demonstraram a técnica experimentalmente. Lilley usou um sal feito com iodo e sódio, juntamente com carbonato de etileno, um solvente orgânico comum usado em baterias de íon-lítio.
“Existe potencial para ter refrigerantes que não são apenas GWP [potencial de aquecimento global]-zero, mas GWP-negativos”, disse Lilley. “Usar um material como o carbonato de etileno pode realmente ser negativo em carbono, porque você o produz usando dióxido de carbono como insumo. Isso pode nos dar um lugar para usar o CO2 da captura de carbono.”
A corrente que passa pelo sistema move os íons, alterando o ponto de fusão do material. Quando derrete, o material absorve calor do ambiente e, quando os íons são removidos e o material se solidifica, ele devolve o calor. O primeiro experimento mostrou uma mudança de temperatura de 25 graus Celsius usando menos de um volt, um aumento de temperatura maior do que o demonstrado por outras tecnologias calóricas.
Desafios da engenharia
“Há três coisas que estamos tentando equilibrar: o GWP do refrigerante, a eficiência energética e o custo do próprio equipamento”, disse Prasher. “Desde a primeira tentativa, nossos dados parecem muito promissores em todos esses três aspectos.”
Embora os métodos calóricos sejam frequentemente discutidos em termos de poder de resfriamento, os ciclos também podem ser aproveitados para aplicações como aquecimento de água ou aquecimento industrial. A equipe ionocalórica continua trabalhando em protótipos para determinar como a técnica pode escalar para suportar grandes quantidades de resfriamento, melhorar a quantidade de mudança de temperatura que o sistema pode suportar e melhorar a eficiência.
“Temos esse novo ciclo e estrutura termodinâmica que reúne elementos de diferentes campos e mostramos que ele pode funcionar”, disse Prasher. “Agora, é hora de testar diferentes combinações de materiais e técnicas para enfrentar os desafios da engenharia.”
Lilley e Prasher receberam uma patente provisória para o ciclo de resfriamento ionocalórico, e a tecnologia já está disponível para licenciamento.
