A equipa de investigação liderada pelos professores Stefan Seelecke e Paul Motzki, da Universidade do Sarre, está a desenvolver protótipos de sistemas para utilização em veículos. O objetivo é alcançar a comercialização em cinco anos.
Segundo a física, o frio é simplesmente a ausência de calor. Para arrefecer algo, é necessário remover calor; para o aquecer, é necessário adicionar calor. Uma ideia bastante simples, e que os investigadores em Saarbrücken conseguiram implementar de uma forma particularmente inovadora. A equipa utiliza uma propriedade especial da liga de níquel-titânio com "memória de forma" ("nitinol" ou "Ni-Ti"). Resumidamente, ao puxar repetidamente feixes de fios ou lâminas ultrafinas de nitinol e depois deixá-los relaxar, o calor pode ser absorvido num local e dissipado noutro. Com base neste princípio elementar, a equipa de investigação liderada por Stefan Seelecke e Paul Motzki, da Universidade do Sarre e do Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA) em Saarbrücken, tem vindo a desenvolver a sua nova tecnologia de ar condicionado em projetos de investigação inovadores que receberam milhões em financiamento.
A tecnologia elastocalórica foi reconhecida pela Comissão Europeia como uma das alternativas mais promissoras aos sistemas convencionais de aquecimento e arrefecimento. O Fórum Económico Mundial incluiu o processo elastocalórico na sua lista das “Dez Principais Tecnologias Emergentes” em 2024. Comparada com as tecnologias de refrigeração convencionais, que consomem muita energia e podem poluir o ambiente com refrigerantes e gases com efeito de estufa prejudiciais para o clima, a tecnologia que está a ser desenvolvida em Saarbrücken é mais eficiente em termos energéticos e tão limpa como a eletricidade utilizada para a alimentar. Os sistemas elastocalóricos eliminam os refrigerantes prejudiciais para o ambiente e os combustíveis fósseis. O campo da elastocalórica, no qual Stefan Seelecke e Paul Motzki estão entre os pioneiros, tem o potencial de desempenhar um papel significativo no combate à crise energética mundial. De acordo com a Agência Federal Alemã do Ambiente, o consumo final de energia (ou seja, a energia total consumida pelos utilizadores finais) para aquecimento e arrefecimento representa pouco mais de metade do consumo total de energia final da Alemanha. Além disso, a Agência Internacional de Energia (IEA) refere que o arrefecimento dos ambientes, por si só, representa atualmente 12% da procura global total de energia. "As previsões indicam que este número poderá triplicar até 2050", afirma Paul Motzki, professor de Sistemas de Materiais Inteligentes para Produção Inovadora na Universidade do Sarre e diretor científico e CEO da ZeMA.
A tecnologia elastocalórica está a começar a entrar na fase de maturidade tecnológica. Os investigadores estão ansiosos por traduzir as suas descobertas em soluções práticas para a indústria e o comércio. Para facilitar a transferência de conhecimento, o governo alemão está a investir mais de 17 milhões de euros ao longo de nove anos no projeto DEPART!Saar, que visa ligar os investigadores do Sarre com instituições de investigação e parceiros industriais.
Noutro projeto recentemente lançado, a equipa de Saarbrücken está a trabalhar com a Volkswagen AG, o Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medição Física (IPM) em Friburgo e a empresa Ingpuls GmbH em Bochum. O objetivo é utilizar a tecnologia elastocalórica para desenvolver um sistema de ar condicionado leve e eficiente em termos energéticos para veículos elétricos, bem como um meio de arrefecer as baterias de tração desses veículos. “O projeto recebeu 3,5 milhões de euros de financiamento do Ministério Federal Alemão dos Assuntos Económicos e Ação Climática, e estamos atualmente a desenvolver os primeiros protótipos”, explica Paul Motzki.
Noutro novo projeto de investigação, a equipa está a trabalhar num sistema de ar condicionado elastocalórico que pode ser utilizado para arrefecer e aquecer divisões individuais num edifício residencial através de aberturas de ventilação nas paredes exteriores. No ano passado, Paul Motzki e a sua equipa fizeram parte de um consórcio europeu que ganhou o prestigiado prémio EIC Pathfinder Challenge do Conselho Europeu de Inovação, no valor de 4 milhões de euros. Este prémio reconhece "tecnologias visionárias e radicalmente novas que têm o potencial de facilitar transições sociais necessárias, abordar desafios globais e estabelecer novos mercados". Nos próximos três anos, será desenvolvido um protótipo de um sistema de ar condicionado na SMACool, cujos parceiros incluem a Universidade de Liubliana, a Universidade de Nápoles Federico II e a empresa irlandesa exergyn. "O sistema elastocalórico funciona como um refrigerador e uma bomba de calor. Com uma eficiência três a cinco vezes superior à de um sistema convencional, a nossa tecnologia requer significativamente menos eletricidade para operar", afirma o Professor Motzki, cientista líder do projeto.
Seja para arrefecimento ou aquecimento, o equipamento é capaz de atingir diferenças de temperatura de cerca de 20 °C. “Isto aplica-se a um componente de estágio único”, explica Motzki. “Se construirmos sistemas de múltiplos estágios, podemos atingir diferenças de temperatura muito maiores.” A base de todos os protótipos elastocalóricos que estão a ser desenvolvidos em Saarbrücken é a invulgar propriedade de “memória de forma” da liga de níquel-titânio. O níquel-titânio possui duas redes cristalinas, ou seja, duas fases cristalográficas com dimensões físicas ligeiramente diferentes. O termo “liga com memória de forma” (LMF) é utilizado para descrever a capacidade do material de regressar a um estado anterior (estrutura da rede cristalina) através de uma transformação de fase reversível. Todos sabemos que a água pode existir em três estados físicos ou “fases”: sólido (gelo), líquido (água) e gasoso (vapor de água). Mas, ao contrário da água, as fases do níquel-titânio estão ambas no estado sólido. Quando uma fase se transforma na outra, os fios ou lâminas de LMF absorvem calor; Quando esta fase se transforma novamente, o material dissipa o calor para o meio que o rodeia. Assim, o ar que flui sobre a liga de níquel-titânio durante uma mudança de fase irá arrefecer ou aquecer, e este efeito pode ser utilizado, por exemplo, para aquecer ou arrefecer espaços no interior dos edifícios. “Dependendo da aplicação específica, utilizamos fios de SMA, lâminas finas ou até componentes impressos em 3D com geometrias complexas”, explica Motzki.
Embora o princípio subjacente pareça bastante simples, a criação de um sistema prático de aquecimento e arrefecimento a partir destes materiais exige uma inovação técnica engenhosa. Os especialistas em Saarbrücken construíram protótipos cuidadosamente concebidos que podem operar continuamente. Desenvolveram modelos de demonstração capazes de induzir continuamente transformações de fase em chapas ou fios metálicos, permitindo a transferência de calor para ou a partir de um meio como o ar, a água ou uma mistura de água e glicol que flui sobre o material SMA (liga com memória de forma). As questões que a equipa está a investigar incluem a melhor forma de aplicar cargas mecânicas à liga de níquel-titânio para obter o efeito de aquecimento ou arrefecimento desejado, como melhorar a eficiência do processo, como otimizar os fluxos de fluidos e qual o formato de chapa ou feixe de fios mais adequado para uma aplicação específica. Os investigadores desenvolveram também um software que permite ajustar a tecnologia de aquecimento e arrefecimento para diferentes aplicações, bem como simular e planear sistemas de arrefecimento. "Queremos aproveitar o potencial inovador da elastocalórica numa vasta gama de aplicações, desde eletrodomésticos a sistemas de arrefecimento industrial", afirma Paul Motzki. A equipa de Saarbrücken está a colaborar com outros especialistas da área, como a Ingpuls GmbH, para examinar todo o ciclo de vida do produto, desde as matérias-primas até ao fabrico dos componentes e à reciclagem no final da sua vida útil.
A tecnologia de Saarbrücken é o resultado de mais de 15 anos de investigação em projetos multimilionários e teses de doutoramento que conquistaram vários prémios internacionais. Entre os resultados, destacam-se o primeiro modelo de demonstração mundial do efeito elastocalórico contínuo ar-ar e o primeiro mini-frigorífico elastocalórico do mundo.
O refrigerador elastocalórico apresenta uma pista de cames patenteada e especialmente concebida que gira continuamente feixes de fios de nitinol com 200 mícrons de espessura em torno de uma câmara de arrefecimento circular. À medida que os feixes de fios giram na pista circular, são tracionados (ou seja, sujeitos a tensão) num dos lados do círculo e relaxados no outro. O ar flui através dos feixes rotativos para o interior da câmara de arrefecimento, onde os fios voltam a relaxar (ou seja, sofrem recuperação elástica), extraindo calor do ar. À medida que continuam a girar, os fios de nitinol aquecidos transportam o calor absorvido para fora da câmara de refrigeração. Uma vez fora da câmara, transferem esse calor para o meio envolvente. "Dentro da câmara de refrigeração, o ar entra em contacto apenas com os fios sem tensão. Com este protótipo, podemos atingir temperaturas a rondar os 15 graus Celsius", afirma Paul Motzki.
“Outro aspeto importante da nossa tecnologia é a sua capacidade de autodeteção. Cada valor de resistência elétrica corresponde a um estado específico de deformação dos feixes ou lâminas de fios. Utilizando inteligência artificial, o nosso sistema consegue agora reconhecer a posição precisa de forma eficiente e exata em todos os momentos, mesmo em caso de interferência”, explica o Professor Motzki.
Contexto:
Tecnologia da Memória de Forma.
A equipa de investigação de materiais inteligentes da Universidade do Sarre e do Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA) em Saarbrücken foi fundada pelo Professor Stefan Seelecke. Em colaboração com o Professor Paul Motzki, a investigação nesta área tem crescido substancialmente nos últimos anos. A equipa de investigação utiliza a tecnologia de memória de forma para uma vasta gama de aplicações, desde pinças robóticas a válvulas e bombas energeticamente eficientes. A tecnologia está a ser estudada em inúmeros projetos de investigação de licenciatura, pós-graduação e doutoramento. Muitos dos resultados foram amplamente divulgados em revistas científicas de grande impacto, e vários artigos receberam reconhecimento internacional. A investigação recebeu um financiamento significativo da União Europeia e da Fundação Alemã para a Investigação (DFG).
Os professores Stefan Seelecke e Paul Motzki fundaram recentemente a Sociedade Internacional de Elastocalórica. Com sede em Saarbrücken, esta sociedade científica internacional pretende reunir a comunidade de investigação neste campo emergente e estabelecer redes de contacto com a indústria e as empresas, com vista à futura comercialização da tecnologia elastocalórica. A segunda Conferência Internacional de Elastocalórica terá lugar em Saarbrücken, de 13 a 15 de maio de 2025. Nos anos subsequentes, a conferência será realizada num país anfitrião diferente a cada ano.
