Um método de resfriamento mais eficiente, com economia de energia, ecológico e portátil é a direção da exploração humana incessante. Recentemente, um artigo online na revista Science relatou uma nova estratégia de refrigeração flexível descoberta por uma equipa de investigação conjunta de cientistas chineses e americanos – “refrigeração por calor torcional”. A equipe de pesquisa descobriu que alterar a torção dentro das fibras pode proporcionar resfriamento. Devido à maior eficiência de refrigeração, menor tamanho e aplicabilidade a diversos materiais comuns, o “refrigerador de calor torcido” feito com base nesta tecnologia também se tornou promissor.
Esta conquista vem da pesquisa cooperativa da equipe do Professor Liu Zunfeng do Laboratório Estadual de Biologia Química Medicinal, Escola de Farmácia e do Laboratório Principal de Polímero Funcional do Ministério da Educação da Universidade de Nankai, e da equipe de Ray H. Baugman , professor da Texas State University, Dallas Branch, e Yang Shixian, docente da Nankai University.
Basta baixar a temperatura e torcer
Segundo dados do Instituto Internacional de Pesquisa em Refrigeração, o consumo de eletricidade de aparelhos de ar condicionado e refrigeradores no mundo representa atualmente cerca de 20% do consumo global de eletricidade. O princípio amplamente utilizado de refrigeração por compressão de ar hoje em dia geralmente tem uma eficiência de Carnot inferior a 60%, e os gases liberados pelos processos de refrigeração tradicionais estão agravando o aquecimento global. Com a crescente demanda humana por refrigeração, explorar novas teorias e soluções de refrigeração para melhorar ainda mais a eficiência da refrigeração, reduzir custos e reduzir o tamanho dos equipamentos de refrigeração tornou-se uma tarefa urgente.
A borracha natural gerará calor quando esticada, mas a temperatura diminuirá após a retração. Este fenômeno é denominado “refrigeração térmica elástica”, que foi descoberto já no início do século XIX. No entanto, para obter um bom efeito de resfriamento, a borracha precisa ser pré-esticada de 6 a 7 vezes o seu próprio comprimento e depois retraída. Isso significa que a refrigeração requer um grande volume. Além disso, a atual eficiência de Carnot na “refrigeração térmica” é relativamente baixa, geralmente apenas cerca de 32%.
Através da tecnologia de “resfriamento torcional”, os pesquisadores esticaram o elastômero de borracha fibrosa duas vezes (100% de tensão), depois fixaram ambas as extremidades e torceram-no de uma extremidade para formar uma estrutura Superhelix. Posteriormente, ocorreu um rápido desenrolamento e a temperatura das fibras de borracha diminuiu 15,5 graus Celsius.
Este resultado é superior ao efeito de resfriamento usando a tecnologia de 'refrigeração térmica elástica': a borracha que é esticada 7 vezes mais se contrai e esfria até 12,2 graus Celsius. No entanto, se a borracha for torcida e estendida, e depois libertada simultaneamente, a “refrigeração térmica torcional” pode arrefecer até 16,4 graus Celsius. Liu Zunfeng disse que sob o mesmo efeito de resfriamento, o volume de borracha da 'refrigeração térmica torcional' é apenas dois terços do da borracha de 'refrigeração térmica elástica', e sua eficiência de Carnot pode chegar a 67%, muito superior ao princípio do ar refrigeração por compressão.
Linha de pesca e linha têxtil também podem ser resfriadas
Os pesquisadores introduziram que ainda há muito espaço para melhorias na borracha como material de “refrigeração de calor torcional”. Por exemplo, a borracha tem uma textura macia e requer muitas torções para atingir um resfriamento significativo. Sua velocidade de transferência de calor é lenta e questões como o uso repetido e a durabilidade do material precisam ser consideradas. Portanto, explorar outros materiais de “refrigeração torcional” tornou-se uma importante direção inovadora para a equipe de pesquisa.
Curiosamente, descobrimos que o esquema de “resfriamento por calor torcional” também é aplicável às linhas de pesca e têxteis. Anteriormente, as pessoas não percebiam que esses materiais comuns poderiam ser usados para resfriamento”, disse Liu Zunfeng.
Os pesquisadores primeiro torceram essas fibras poliméricas rígidas e formaram uma estrutura helicoidal. Esticar a hélice pode aumentar a temperatura, mas depois de retrair a hélice, a temperatura diminui.
O experimento descobriu que usando a tecnologia de “resfriamento por calor torcional”, o fio trançado de polietileno pode gerar uma queda de temperatura de 5,1 graus Celsius, enquanto o material é diretamente esticado e liberado quase sem nenhuma mudança de temperatura observada. O princípio do 'resfriamento por calor torcional' deste tipo de fibra de polietileno é que durante o processo de estiramento e contração, a torção interna da hélice diminui, levando a mudanças na energia. Liu Zunfeng disse que esses materiais relativamente duros são mais duráveis do que as fibras de borracha, e a taxa de resfriamento excede a da borracha, mesmo quando esticada muito curta.
Os pesquisadores também descobriram que a aplicação da tecnologia de “resfriamento por calor torcional” a ligas de níquel-titânio com memória de forma com maior resistência e transferência de calor mais rápida resulta em melhor desempenho de resfriamento, e apenas uma torção menor é necessária para obter um maior efeito de resfriamento.
Por exemplo, torcendo quatro fios de liga de níquel-titânio juntos, a queda máxima de temperatura após o desenrolamento pode atingir 20,8 graus Celsius, e a queda média geral de temperatura também pode atingir 18,2 graus Celsius. Isto é um pouco superior ao resfriamento de 17,0 graus Celsius obtido com a tecnologia de 'refrigeração térmica'. Um ciclo de refrigeração leva apenas cerca de 30 segundos”, disse Liu Zunfeng.
Nova tecnologia pode ser usada em refrigeradores no futuro
Com base na tecnologia de “refrigeração por calor torcional”, os pesquisadores criaram um modelo de refrigerador que pode resfriar água corrente. Eles usaram três fios de liga de níquel-titânio como materiais de resfriamento, girando 0,87 rotações por centímetro para atingir um resfriamento de 7,7 graus Celsius.
Esta descoberta ainda tem um longo caminho a percorrer antes da comercialização de ‘refrigeradores de calor torcido’, com oportunidades e desafios”, disse Ray Bowman. Liu Zunfeng acredita que a nova tecnologia de refrigeração descoberta neste estudo expandiu um novo setor na área de refrigeração. Ele fornecerá uma nova maneira de reduzir o consumo de energia na área de refrigeração.
Outro fenômeno especial na “refrigeração por calor torcional” é que diferentes partes da fibra apresentam diferentes temperaturas, o que é causado pela distribuição periódica da hélice gerada pela torção da fibra ao longo da direção do comprimento da fibra. Os pesquisadores revestiram a superfície do fio de liga de níquel-titânio com revestimento de termocromismo para fazer “resfriamento torcional” da fibra que muda de cor. Durante o processo de torção e desenrolamento, a fibra sofre mudanças reversíveis de cor. Ele pode ser usado como um novo tipo de elemento sensor para medição óptica remota de torção de fibra. Por exemplo, ao observar as mudanças de cor a olho nu, pode-se saber quantas revoluções o material deu à distância, o que é um sensor muito simples. “Liu Zunfeng disse que com base no princípio de “resfriamento por calor torcional”, algumas fibras também podem ser usadas para tecidos com mudança inteligente de cor.
Horário da postagem: 13 de julho de 2023