Em colaboração com especialistas em impressão 3D liderados pelo Professor Dirk Bähre, estão também a desenvolver geometrias inovadoras e energeticamente eficientes para elementos de arrefecimento. Os cubos reluzentes, cada um com uma geometria impressionante, poderiam facilmente ser confundidos com elegantes objetos decorativos. No entanto, para os investigadores que trabalham com estas estruturas impressas em 3D, o seu apelo reside na funcionalidade, e não na estética. Os engenheiros de produção da equipa do Professor Dirk Bähre e os especialistas em materiais inteligentes liderados pelo Professor Paul Motzki estão interessados ​​na forma como estas estruturas metálicas se comportam nos inovadores sistemas de aquecimento e arrefecimento que estão a ser desenvolvidos em Saarbrücken. "Esta é a próxima etapa no desenvolvimento da tecnologia elastocalórica. A investigação que estamos a conduzir com estas novas estruturas ainda está no âmbito da investigação básica, mas já estamos a pensar na sua utilização prática e a desenvolver soluções para aplicações no mundo real", explica Paul Motzki. As geometrias inovadoras destes novos elementos de aquecimento e arrefecimento são concebidas para aumentar a eficiência da transferência de calor, maximizando a área de superfície sobre a qual a energia térmica é trocada.

Em vez de utilizarem refrigerantes prejudiciais para o clima para arrefecimento ou combustíveis fósseis como o petróleo ou o gás para aquecimento, os sistemas elastocalóricos utilizam componentes feitos de uma liga de níquel-titânio com memória de forma. Até à data, a equipa de Paul Motzki, da Universidade do Sarre, tem investigado as propriedades elastocalóricas de feixes de fios ultrafinos e de lâminas finas feitas a partir desta liga. Estes componentes libertam calor quando esticados ou comprimidos e absorvem calor quando a carga mecânica é removida. Os engenheiros em Saarbrücken estão a utilizar o efeito elastocalórico para transportar calor de um local para outro, por exemplo, para extrair calor de uma câmara de refrigeração. As equipas de investigação da Universidade do Sarre e do Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação de Saarbrücken (ZeMA) investigam o efeito elastocalórico há mais de 15 anos, com o objetivo a longo prazo de arrefecer e aquecer automóveis, edifícios e instalações industriais de forma ecológica e energeticamente eficiente. Na Feira de Hannover deste ano, a equipa está a demonstrar que a sua tecnologia já ultrapassou a fase de investigação fundamental e está bem encaminhada para aplicações no mundo real.

Novos Materiais Inovadores:
Grandes quantidades de energia são consumidas em todo o mundo para aquecimento e arrefecimento e, com as alterações climáticas, a procura continuará a aumentar. Ao contrário dos métodos convencionais de aquecimento e refrigeração, a tecnologia elastocalórica promete uma eficiência significativamente superior. Funcionando exclusivamente com eletricidade, os sistemas elastocalóricos são tão limpos como a eletricidade que os alimenta. A Comissão Europeia identificou o arrefecimento elastocalórico como a alternativa mais promissora às tecnologias de arrefecimento convencionais, e o Fórum Económico Mundial incluiu-o entre as “Dez Principais Tecnologias Emergentes”. A tecnologia baseia-se nas propriedades especiais do níquel-titânio, uma liga que, quando deformada, se comporta de forma muito diferente dos metais convencionais.

O níquel-titânio é conhecido como uma “liga com memória de forma”, o que significa que o material pode ser deformado e voltar à sua forma original devido a uma transformação de fase reversível entre duas estruturas cristalinas sólidas. Esta transformação de fase é acompanhada pela transferência de calor. “À temperatura ambiente, a liga encontra-se na sua fase de alta temperatura. Quando aplicamos tensão de tração ou compressão ao material, forçamos-o a entrar na sua fase de baixa temperatura. Este é um processo exotérmico no qual o material aquece e liberta calor para o ambiente. Assim que o material arrefece até à temperatura ambiente, libertamos a tensão mecânica. Isto permite que a liga regresse à sua fase de alta temperatura e, como este é um processo endotérmico, o material arrefece”, explica Paul Motzki. Simplificando: quando um fio de níquel-titânio é esticado, liberta calor para o ar ou líquido que o rodeia; quando a tensão é removida, arrefece e consegue absorver calor do meio envolvente. Este ciclo de carregamento e descarregamento repetidos de deformação mecânica é o princípio fundamental da nova tecnologia. Não são necessários sensores adicionais, uma vez que o próprio material possui propriedades de deformação intrínsecas. “Cada deformação dos fios corresponde a um valor específico de resistência elétrica. Assim, as medições de resistência indicam-nos exatamente como o material se está a deformar em qualquer dado momento.” “Isto significa, na prática, que um sensor de posição está integrado”, explica Motzki.
Os investigadores em Saarbrücken têm como objetivo maximizar a transferência de calor, maximizando a área de superfície. Quanto maior for a área de superfície, mais eficientemente o calor pode ser transferido para o fluido de trabalho — ar ou água. Até à data, a equipa aumentou a área de superfície criando feixes contendo muitos fios ultrafinos com memória de forma. Na próxima geração destes dispositivos, os elementos de arrefecimento e aquecimento proporcionarão uma área de contacto ainda maior, incorporando uma estrutura geométrica porosa de níquel-titânio. Para alcançar este objetivo, o grupo de investigação de Paul Motzki está a colaborar com a equipa de Dirk Bähre para desenvolver uma estrutura complexa de níquel-titânio através da qual o fluido de transferência de calor (ar ou água) possa fluir. Os investigadores estão a refinar e a otimizar o design destas delicadas estruturas de liga. Diversas geometrias complexas estão a ser testadas experimentalmente para determinar quais as estruturas que produzem a transferência de calor mais eficiente. As estruturas tridimensionais de liga são produzidas camada a camada utilizando fabrico aditivo numa impressora 3D.

Preparar a Tecnologia para Aplicações no Mundo Real
Enquanto as experiências e testes laboratoriais continuam, Motzki e a sua equipa também trabalham para desenvolver o campo emergente da elastocalórica para implementação no mundo real. Os materiais utilizados nos futuros sistemas de refrigeração elastocalórica devem ser adequados para o funcionamento contínuo em frigoríficos e unidades de refrigeração. “Estamos a trabalhar para desenvolver materiais e projetos que sejam suficientemente robustos para uma utilização contínua e fáceis de manter. Incorporamos questões sobre potenciais aplicações futuras ao processo de desenvolvimento desde o início; este é um princípio fundamental da nossa investigação e também molda os currículos dos nossos cursos de licenciatura, como Engenharia de Sistemas e Materiais e Engenharia Sustentável”, afirma Paul Motzki, que, tal como Dirk Bähre, envolve vários estudantes de doutoramento e estudantes de licenciatura neste trabalho.

Uma das questões abordadas experimentalmente é a de como submeter os materiais a stress mecânico de forma a garantir uma longa vida útil. Isto passa por adaptar as propriedades da liga aos regimes de ciclos de tração e compressão. “Por exemplo, em projetos que utilizam feixes de fios, procuramos atingir uma vida útil de mais de um milhão de ciclos”, afirma Paul Motzki. No entanto, a dada altura, até o melhor material sofre fadiga. "É por isso que também estamos a desenvolver um conceito de substituição simples e rápida. Estamos a conceber os componentes relevantes para que possam ser facilmente trocados, uma vez que a facilidade de manutenção é um fator chave para determinar se esta nova tecnologia se pode traduzir numa implementação fiável no dia a dia", explica Motzki.

Financiamento e Projetos Atuais em Elastocalórica:
O Ministério Federal da Investigação, Tecnologia e Espaço da Alemanha está a financiar o projeto “DEPART!Saar” com até 18 milhões de euros no âmbito do seu programa “T!Raum”. O objectivo deste projecto é fortalecer a economia do Sarre através do desenvolvimento de estruturas regionais de inovação e transferência que acelerem a transferência da tecnologia elastocalórica para aplicações práticas. No projeto SmartCool, financiado pelo Ministério Federal da Economia e Energia, os engenheiros em Saarbrücken estão a colaborar com a Volkswagen AG, o Fraunhofer IPM e a Ingpuls para desenvolver sistemas de refrigeração leves e energeticamente eficientes para veículos elétricos. Noutro projecto de investigação, a equipa está a colaborar com parceiros europeus para desenvolver um sistema de ar condicionado elastocalórico que possa ser utilizado para arrefecer e aquecer divisões individuais em edifícios residenciais. O consórcio do projeto, liderado por Paul Motzki, vai receber um total de 4 milhões de euros de financiamento no âmbito do “EIC Pathfinder Challenge” do Conselho Europeu de Inovação. Com o financiamento adicional de uma bolsa ERC Starting Grant do Conselho Europeu de Investigação, Paul Motzki e a sua equipa estão a desenvolver a tecnologia elastocalórica utilizando uma combinação inédita de materiais com memória de forma e atuadores de película inteligente. Os elastómeros dielétricos representam o segundo campo dos materiais inteligentes em que Paul Motzki é um especialista reconhecido.