Ar-condicionado de estado sólido dispensa gases danosos ao ambiente
Um novo sistema de ar-condicionado com refrigerante sólido pode marcar o fim do uso dos problemáticos gases clorofluorocarbonos (CFCs), que destroem a camada de ozônio – até os substitutos dos CFCs estão sob suspeita.
Os sistemas de refrigeração tradicionais funcionam fazendo com que um refrigerante alterne entre as fases líquida e gasosa.
Quando o líquido se torna um gás, ele se expande e absorve calor, resfriando uma sala ou o interior de uma geladeira. Um compressor, que funciona entre 70 e 150 psi, transforma o gás de volta em líquido, liberando o calor do lado de fora.
Os gases refrigerantes usados nos aparelhos atuais são gases de efeito estufa milhares de vezes mais potentes do que o dióxido de carbono e podem vazar acidentalmente dos aparelhos quando eles estão sendo manuseados ou são descartados no fim da vida útil.
Os refrigerantes sólidos podem ser uma solução ideal: Ao contrário dos gases, os sólidos não vazam para o ambiente.
[Imagem: Jinyoung Seo et al. – 10.1038/s41467-022-29800-9]
Materiais barocalóricos
Uma classe de refrigerantes sólidos, chamados materiais barocalóricos, funciona de forma semelhante aos sistemas tradicionais de refrigeração gás-líquido: Eles passam por ciclos de calor, mas alternando entre duas diferentes fases sólidas – isso significa que o material permanece sólido, mas sua estrutura molecular interna muda, com suas cadeias moleculares, longas e flexíveis em condições ambiente, ficam ordenadas e rígidas sob pressão, uma mudança que libera calor.
Agora, Adam Slavney e colegas da Universidade de Harvard, nos EUA, sintetizaram um material barocalórico que faz isto a uma pressão razoável, que pode ser considerada prática ao menos para grandes sistemas de refrigeração industriais.
“Os materiais que relatamos são capazes de fazer a ciclagem [entre calor e frio] a cerca de 3.000 psi, que são pressões nas quais um sistema hidráulico típico pode trabalhar,” disse Slavney.
O material pertence à classe das perovskitas, a mesma família usada na fabricação de células solares e LEDs, embora com uma estrutura química específica (“haletos com longas caudas de alquilamônio”). Ele sofre transições sólido-sólido entre estruturas mais e menos ordenadas, confinadas a duas dimensões devido à estrutura em camadas da perovskita.
[Imagem: Jinyoung Seo et al. – 10.1038/s41467-022-29800-9]
Berço de testes
Para demonstrar tudo, a equipe construiu um protótipo inédito de um sistema de resfriamento prático envolvendo apenas transições entre fases sólidas.
O aparelho tem três partes principais: Um tubo de metal contendo o refrigerante sólido e um líquido inerte, que pode ser água ou óleo; um pistão hidráulico, que aplica pressão ao líquido; e o duto de circulação, onde o líquido ajuda a transferir essa pressão para o refrigerante e a transportar calor pelo sistema.
Como o sistema funcionou como esperado, o principal resultado do trabalho é o próprio protótipo, que servirá de banco de ensaio para o teste de diferentes materiais barocalóricos, que poderão então ser otimizados, eventualmente chegando a pressões mais brandas.
“Nosso sistema ainda não utiliza pressões tão baixas quanto as dos sistemas de refrigeração comercial, mas estamos chegando perto,” disse o professor Jarad Mason, coordenador da equipe.
Existem outras abordagens para a refrigeração de estado sólido, incluindo o uso de músculos artificiais metálicos, metais com memória de forma e materiais híbridos barocalórico/magnetocalórico.
Artigo: Materials for practical solid-state barocaloric cooling: A chemist (re)invents an air conditioner
Autores: Adam Slavney, Vidhya Dev, Jinyoung Seo, Jarad Mason
Revista: Nature Communications
Vol.: W186c
DOI: 10.1038/s41467-022-29800-9
Artigo: Colossal Barocaloric Effects with Ultralow Hysteresis in Two-Dimensional Metal-Halide Perovskites
Autores: Jinyoung Seo, Ryan D. McGillicuddy, Adam H. Slavney, Selena Zhang, Rahil Ukani, Andrey A. Yakovenko, Shao-Liang Zheng, Jarad A. Mason
Revista: Proceedings of the ACS Fall 2022
Vol.: 13, Article number: 2536