A geladeira do futuro

Modelo computacional desenvolvido por físicos da Unicamp em cooperação com pesquisadores americanos e chineses contribuiu para artigo publicado em outubro na Science

#
Professores Alexandre Fontes da Fonseca e Douglas Soares Galvão, do Departamento de Física Aplicada do IFGW

A descoberta de que o resfriamento dos alimentos permitia conservá-los por maior tempo remonta aos primórdios da historia da humanidade. Mas somente no século XIX um inventor inglês desenvolveu um compressor capaz de solidificar a água, produzindo gelo artificialmente, o que favoreceu a produção de alimentos e sua comercialização para centros distantes. Já no inicio do século XX surgiram nos EUA aparelhos de ar-condicionado capazes de controlar a umidade do ambiente e resfriá-lo. A partir da segunda década do mesmo século começaram a tornar-se populares no país os refrigeradores domésticos.  Nas geladeiras atuais, fundamentalmente, em um sistema adequado, um gás, submetido à compressão, liquefaz-se, resfriando-se, em uma serpentina situada junto ao congelador, de onde absorve calor, resfriando o compartimento e voltando ao estado gasoso.  A repetição desse ciclo garante a manutenção do sistema de refrigeração. A descoberta deste sistema de refrigeração permitiu a produção de alimentos em escala e ampliou sobremaneira suas condições de comercialização.

Imagine-se agora a possibilidade de substituir este ciclo na refrigeração pela torção e distorção continua de um fio de borracha, ou de polietileno (fio de pesca), ou de uma liga metálica de níquel-titânio, aproveitando o resfriamento que ocorre nesses materiais, durante esse processo. Explique-se: ao serem enrolados esses materiais esquentam, em seguida entram em equilíbrio térmico com o meio ambiente e ao serem desenrolados esfriam, quando então podem ser utilizados para retirar calor do congelador. Para isso, bastaria uma engenharia que garantisse um ciclo de torções e distorções. Não é difícil imaginar que a reposição dos atuais gases de refrigeração, que com o tempo escapam das serpentinas, seria substituída pela troca do elemento do novo circuito em que ocorrem as torções/distorções dos materiais utilizados quando ocorresse sua exaustão, a exemplo do que se faz hoje com a troca de resistências nos chuveiros elétricos.

Esse novo sistema de refrigeração, de maior eficiência e baixo custo face ao menor consumo de energia elétrica, garantiria resfriamentos em grande e pequena escala e possibilitaria a substituição de gases de refrigeração, que contribuem para o aumento da poluição atmosférica, do aquecimento global e do efeito estufa.  Para sua viabilidade há necessidade do desenvolvimento de uma engenharia de máquinas refrigeradoras com eficiência na transferência de calor entre o material refrigerante sólido (borracha, polietileno, liga níquel-titânio) e o meio a ser resfriado, bem como desenvolver ciclos termodinâmicos rápidos.

A viabilidade do emprego deste processo na refrigeração foi mostrada em artigo publicado na revista Science, em outubro (https://doi.org/10.1126/science.aax6182), que teve a contribuição dos trabalhos desenvolvidos pelos professores Alexandre Fontes da Fonseca e Douglas Soares Galvão, do Departamento de Física Aplicada, do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, realizados em cooperação com um grupo de pesquisadores da China e outro dos EUA. O Dr. Ray H. Baughman, que lidera toda a equipe, é diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute, University of Texas at Dallas, USA. O grupo chinês tem o comando do Dr. Zunfeng Liu, do State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology, College of Pharmacy, Key Laboratory of Functional Polymer Materials, Nankai University, China.

#

Como funciona

Há cerca de duzentos anos sabe-se que a borracha natural esticada se aquece, efeito chamado de elastocálorico, desde então muito estudado. Isso ocorre, explica o professor Douglas Galvão, porque com o estiramento as cadeias poliméricas que constituem as fibras de borracha se tornam mais organizadas, o que leva a uma diminuição da sua entropia, ou seja, à diminuição do grau de desordem do sistema molecular.  Se esse processamento é realizado rapidamente, de forma que não haja tempo do material trocar calor com o meio ambiente, em um processo denominado adiabático, a queda da entropia, em decorrência da organização das fibras, deve ser compensada pelo aumento da temperatura do sistema, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, para que a entropia do sistema se mantenha constante em um processo durante o qual nenhuma quantidade de calor é trocada entre o sistema e seu meio. Ocorre que para o estiramento há necessidade de realizar um trabalho sobre o sistema e é esse fornecimento de energia interna ao sistema que eleva sua temperatura, que na verdade ocorre em decorrência do aumento da energia cinética media das moléculas que o constituem. Mas, se logo na sequência a borracha esticada é permitida entrar em equilíbrio com o meio ambiente, por ter perdido calor para ele, ao retornar rapidamente às condições de origem, portanto em um novo processo adiabático, ocorre uma diminuição da temperatura perceptível ao tato. Isso ocorre porque se dá o processo inverso. Com efeito, ao ser rapidamente solta ou liberada, a borracha, em um processo também adiabático, tem a entropia agora aumentada em decorrência da volta ao desalinhamento das cadeias poliméricas que a constituem e inversamente compensa isso com a queda da temperatura. Ou melhor, ao ser liberada, a borracha age sobre o meio externo devolvendo na forma de trabalho a energia interna acumulada durante o estiramento, do que resulta a diminuição da temperatura. Nesse momento, a borracha em contato com um meio que se deseja resfriar retira calor dele, a exemplo do que acontece nos atuais refrigeradores que utilizam gases.

#

Embora, explica o professor Alexandre Fonseca, o fenômeno independa do tamanho da borracha empregada, sua aplicação prática esbarra em limitações. No estudo publicado na Science foram empregadas borrachas de dois a três cm de comprimento que devem ser esticadas até 12 a 18 cm, ou seja, de seis a sete vezes seu tamanho inicial para atingir uma variação de temperatura de dez graus. Para que a refrigeração aconteça é necessário o contato entre a fonte fria (a borracha) e a fonte quente a ser resfriada. Portanto, quanto maior a borracha maior a superfície de contato, o que inviabiliza o processo em vista das limitações impostas pelo tamanho dos refrigeradores. Mas esse seria um problema contornável com a utilização simultânea de vários ciclos por unidade de tempo, lembra o docente: “A eficiência de uma máquina refrigeradora é medida pelo coeficiente de performance, que resulta da razão entre o calor extraído da região que se pretende resfriar pele energia usada na operação da máquina. Nos refrigeradores comuns esse coeficiente é da ordem de quatro ou cinco e nos bons refrigeradores chega a oito, isto é, eles retiram oito vezes mais energia do que consomem da rede elétrica no mesmo tempo. Mas existem outros fatores a serem considerados, como uma eficiente troca de calor entre a borracha e o meio a ser resfriado. Estes, além de outros, são fatores importantes e que devem ser superados para aumentar a eficiência do processo”.

#

O pulo do gato

Entretanto, o professor Galvão considera que o verdadeiro pulo do gato foi dado pelo grupo de Baughman ao descobrir que a torção de um fio de borracha e de alguns outros materiais em substituição ao estiramento podem levar ao mesmo efeito elastocalórico e até com maior intensidade. Com a vantagem de não exigir o emprego de fios longos. No caso do fio de pesca, por exemplo, como a torção permite que o material acumule maior “stress” sem romper-se, é possível observar de modo mais significativo o efeito elastocalórico. Outro achado inédito do trabalho publicado foi a medida da intensidade do efeito da torção em uma liga de níquel-titânio, até então não estudado.  A publicação apresenta os efeitos elastocalóricos em relação à torção tanto na borracha, como no polietileno e na liga níquel-titânio. Em tese o modelo desenvolvido pode ser estendido para outros materiais que apresentam o mesmo efeito de forma significativa. O professor Galvão enfatiza: “A importância do trabalho está em se ter descoberto um novo efeito baseado em um conhecimento de 200 anos, mostrando a possibilidade de utilizar a torção na refrigeração, o que não tinha ainda sido investigado”.

A figura que segue mostra uma barra com a indicação do código de cores que vai do azul ao vermelho com a indicação da variação da temperatura nas extremidades. O estado A é o inicial, que corresponde à temperatura ambiente; o estado B refere-se à situação em que foi aplicada uma determinada quantidade de torção; o estado C representa o estágio em que a torção foi liberada, mas após a borracha torcida no item B entrar em equilíbrio térmico com o meio ambiente.

#

A figura seguinte mostra o que deve acontecer com a borracha durante o ciclo completo de uma máquina refrigeradora. Em (a) a borracha em equilíbrio térmico com o ambiente; em (b) a borracha imediatamente após receber torção; em (c) a borracha torcida após entrar em equilíbrio térmico com o ambiente; em (d) a borracha imediatamente após a remoção da torção; e em (e) a borracha destorcida novamente em equilíbrio térmico com o ambiente. As cores mais claras correspondem às maiores temperaturas.

#

Os grupos americano e chinês trabalharam nas determinações experimentais e em alguns aspectos mecânicos das estruturas dos fios torcidos.  Na avaliação dos docentes da Unicamp, “nossa contribuição consistiu na elaboração de cálculos por dinâmica molecular clássica da diferença de entropia de duas estruturas cristalinas do polietileno com vistas a mostrar a origem do efeito elastocalórico, pois o material ao ser torcido sofre mudança de fase cristalina. Além disso, contribuímos com o estudo da termodinâmica do efeito elastocalórico e nas discussões sobre as interpretações dos resultados. Na verdade nossos cálculos computacionais serviram para apresentar e delinear uma explicação para o efeito observado no polietileno”.

Os docentes esclarecem que o processo ainda não é competitivo com a utilização do gás nos sistemas de refrigeração utilizados hoje. Seu emprego esbarra ainda em problemas de engenharia, mas principalmente, no desenvolvimento de materiais mais eficientes e adequados ao processo de torção.   O professor Galvão destaca, entretanto, que com um estudo envolvendo ciência básica, foi criado um modelo que se mostrou viável e que demanda agora a descoberta de novos materiais e da utilização de uma engenharia eficiente: “é a ciência gerando a possibilidade de novas tecnologias, bem estar, emprego e riquezas”, diz ele.

Imagem de capa JU-online

Audiodescrição: montagem com duas fotos, sendo, em primeiro plano, imagem close-up das pontas dos dedos polegar e indicador das mãos de uma pessoa, posicionados à direita e à esquerda na imagem. Os dedos seguram um pedaço de corda verde com cerca de dez centímetros de comprimento, tensionada e com trecho em espiral. Ao fundo de toda foto, imagem abstrata em tons de branco e azul claro como se representassem uma placa de gelo. Imagem 1 de 1.