Pesquisadores do Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins (APL) em Laurel, Maryland, desenvolveram uma nova tecnologia de refrigeração termelétrica em estado sólido, facilmente manufaturável, utilizando materiais nanoengenheirados que são duas vezes mais eficientes do que dispositivos feitos com materiais termelétricos em massa disponíveis comercialmente. À medida que a demanda global por soluções de resfriamento mais eficientes em energia, confiáveis e compactas cresce, esse avanço oferece uma alternativa escalável à refrigeração tradicional baseada em compressores.
Em um artigo publicado na Nature Communications, uma equipe de pesquisadores da APL e engenheiros de refrigeração da Samsung Research demonstraram uma melhoria na eficiência e capacidade de bombeamento de calor em sistemas de refrigeração atribuída aos materiais termelétricos nanoengenheirados de alto desempenho inventados na APL, conhecidos como estruturas superlattice hierarquicamente controladas (CHESS).
A tecnologia CHESS é o resultado de 10 anos de pesquisa em materiais termelétricos nanoengenheirados avançados e desenvolvimento de aplicações na APL. Inicialmente desenvolvida para aplicações de segurança nacional, o material também foi utilizado em terapias de resfriamento não invasivas para próteses e ganhou um prêmio R&D 100 em 2023.
“Esta demonstração no mundo real de refrigeração usando novos materiais termelétricos mostra as capacidades das películas finas CHESS nanoengenheiradas”, disse Rama Venkatasubramanian, investigador principal do projeto conjunto e tecnólogo-chefe em termelétricos na APL. “Isso representa um salto significativo na tecnologia de resfriamento e estabelece o cenário para traduzir avanços em materiais termelétricos em aplicações de refrigeração práticas, em larga escala e eficientes em energia.”
Um Novo Marco para o Resfriamento em Estado Sólido
A busca por tecnologias de resfriamento mais eficientes e compactas é impulsionada por uma variedade de fatores, incluindo crescimento populacional, urbanização e uma dependência crescente de eletrônicos avançados e infraestrutura de dados. Sistemas de resfriamento convencionais, embora eficazes, são frequentemente volumosos, consomem muita energia e dependem de refrigerantes químicos que podem ser prejudiciais ao meio ambiente.
A refrigeração termelétrica é amplamente considerada uma solução potencial. Este método refrigera ao usar elétrons para mover calor através de materiais semicondutores especializados, eliminando a necessidade de partes móveis ou produtos químicos prejudiciais, tornando esses refrigeradores de próxima geração silenciosos, compactos, confiáveis e sustentáveis. Materiais termelétricos em massa são usados em pequenos dispositivos como mini-refrigeradores, mas sua eficiência limitada, baixa capacidade de bombeamento de calor e incompatibilidade com a fabricação escalável de chips semicondutores historicamente impediram seu uso mais amplo em sistemas de alto desempenho.
No estudo, os pesquisadores compararam módulos de refrigeração usando materiais termelétricos em massa tradicionais com aqueles usando materiais em filme fino CHESS em testes de refrigeração padronizados, medindo e comparando a potência elétrica necessária para alcançar vários níveis de resfriamento nos mesmos sistemas de teste comerciais de refrigeradores. A equipe da Samsung Research Life Solution, liderada pelo vice-presidente executivo Joonhyun Lee, colaborou com a APL para validar os resultados através de modelagem térmica detalhada, quantificando cargas térmicas e parâmetros de resistência térmica para garantir uma avaliação de desempenho precisa em condições do mundo real.
Os resultados foram surpreendentes: utilizando materiais CHESS, a equipe da APL alcançou quase 100% de melhoria na eficiência em relação aos materiais termelétricos tradicionais a temperatura ambiente (cerca de 80 graus Fahrenheit, ou 25 °C). Eles então traduziram esses ganhos a nível de material em uma melhoria de quase 75% na eficiência a nível de dispositivo em módulos termelétricos construídos com materiais CHESS e uma melhoria de 70% na eficiência em um sistema de refrigeração totalmente integrado, cada um representando uma melhoria significativa em relação aos dispositivos termelétricos em massa mais avançados. Esses testes foram realizados em condições que envolveram quantidades significativas de bombeamento de calor para replicar a operação prática.
Construído para Escalar
Além de melhorar a eficiência, a tecnologia de filme fino CHESS utiliza significativamente menos material – apenas 0,003 centímetros cúbicos, ou cerca do tamanho de um grão de areia, por unidade de refrigeração. Essa redução nos materiais significa que os materiais termelétricos da APL poderiam ser produzidos em massa utilizando ferramentas de produção de chips semicondutores, promovendo eficiência de custos e permitindo uma adoção ampla no mercado.
“Esta tecnologia de filme fino tem o potencial de crescer desde a alimentação de sistemas de refrigeração em pequena escala até o suporte a aplicações HVAC em grandes edifícios, semelhante à maneira como as baterias de íon de lítio foram escaladas para alimentar dispositivos tão pequenos quanto telefones móveis e tão grandes quanto veículos elétricos”, disse Venkatasubramanian.
Além disso, os materiais CHESS foram criados utilizando um processo bem estabelecido comumente utilizado para fabricar células solares de alta eficiência que alimentam satélites e luzes LED comerciais.
“Utilizamos deposição química de vapor organometálico (MOCVD) para produzir os materiais CHESS, um método bem conhecido por sua escalabilidade, custo-efetividade e capacidade de suportar a fabricação em grande volume”, disse Jon Pierce, um engenheiro de pesquisa sênior que lidera a capacidade de crescimento MOCVD na APL. “O MOCVD já é amplamente utilizado comercialmente, tornando-o ideal para escalar a produção de materiais termelétricos de filme fino CHESS.”
Esses materiais e dispositivos continuam a mostrar potencial para uma ampla gama de aplicações de captação de energia e eletrônicos, além dos recentes avanços em refrigeração. A APL planeja continuar a parceria com organizações para aprimorar os materiais termelétricos CHESS com foco em aumentar a eficiência para se aproximar da dos sistemas mecânicos convencionais. Esforços futuros incluem a demonstração de sistemas de refrigeração em maior escala, incluindo freezers, e a integração de métodos impulsionados por inteligência artificial para otimizar a eficiência energética em resfriamento compartimentado ou distribuído em equipamentos de refrigeração e HVAC.
“Além da refrigeração, os materiais CHESS também são capazes de converter diferenças de temperatura, como o calor do corpo, em energia utilizável”, disse Jeff Maranchi, gerente da Área de Programas de Exploração na área de Pesquisa e Desenvolvimento Exploratórios da APL. “Além de avançar em sistemas táteis de próxima geração, próteses e interfaces humano-máquina, isso abre a porta para tecnologias de captação de energia escaláveis para aplicações que vão desde computadores até espaçonaves – capacidades que não eram viáveis com dispositivos termelétricos mais antigos e volumosos.”
“O sucesso desse esforço colaborativo demonstra que a refrigeração sólida eficiente em energia não é apenas cientificamente viável, mas também fabricável em escala”, disse Susan Ehrlich, gerente de comercialização de tecnologia da APL. “Estamos ansiosos para continuar as oportunidades de pesquisa e transferência de tecnologia com empresas enquanto trabalhamos para traduzir essas inovações em aplicações práticas do mundo real.”