Um Novo Marco para Refrigeração de Estado Sólido

Em um artigo publicado na Nature Communications, uma equipe de pesquisadores do APL e engenheiros de refrigeração da Samsung Research demonstraram uma eficiência e capacidade de bombeamento de calor aprimoradas em sistemas de refrigeração atribuídas a materiais termelétricos nanoengenheirados de alto desempenho, conhecidos como estruturas super-rede hierarquicamente controladas (CHESS), inventadas no APL.

A tecnologia CHESS é o resultado de 10 anos de pesquisa do APL em materiais termelétricos avançados e desenvolvimento de aplicações. Inicialmente desenvolvido para aplicações de segurança nacional, o material também foi utilizado para terapias de resfriamento não invasivas para próteses, recebendo um prêmio R&D 100 em 2023.

“Essa demonstração no mundo real de refrigeração usando novos materiais termelétricos mostra as capacidades dos filmes finos nanoengenheirados CHESS,” disse Rama Venkatasubramanian, investigador principal do projeto conjunto e tecnólogo chefe em termoeletricidade no APL. “Isso marca um salto significativo na tecnologia de refrigeração e prepara o cenário para traduzir os avanços em materiais termelétricos em aplicações práticas, energicamente eficientes e em grande escala.”

A pressão por tecnologias de refrigeração 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 refrigeração convencionais, embora eficazes, costumam ser volumosos, intensivos em energia e dependentes de refrigerantes químicos que podem ser prejudiciais ao meio ambiente.

A refrigeração termelétrica é amplamente considerada uma potencial solução. Esse método resfria movendo elétrons para transferir 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 utilizados em pequenos dispositivos, como mini-frigoríficos, mas sua eficiência limitada, baixa capacidade de bombeamento de calor e incompatibilidade com a fabricação de chips semicondutores escaláveis 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 que utilizavam 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 de refrigeradores comerciais. A equipe de Soluções de Vida da Samsung Research, liderada pelo vice-presidente executivo Joonhyun Lee, colaborou com o APL para validar os resultados por meio 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 impressionantes: usando materiais CHESS, a equipe do APL alcançou quase 100% de melhoria na eficiência em relação aos materiais termelétricos tradicionais à temperatura ambiente (cerca de 80 graus Fahrenheit, ou 25 °C). Eles então traduziram esses ganhos em nível de material em uma melhoria de quase 75% na eficiência em nível de dispositivo em módulos termelétricos construídos com materiais CHESS e uma melhoria de 70% na eficiência em um sistema de refrigeração totalmente integrado, representando cada um uma melhoria significativa em relação aos dispositivos termelétricos em massa de última geração. Esses testes foram realizados em condições que envolvem grandes quantidades de bombeamento de calor para reproduzir a operação prática.

Construído para Escalar

Além de melhorar a eficiência, a tecnologia de filme fino CHESS utiliza notavelmente menos material — apenas 0,003 centímetros cúbicos, ou cerca do tamanho de um grão de areia, por unidade de refrigeração. Essa redução de material significa que os materiais termelétricos do APL poderiam ser produzidos em massa usando ferramentas de produção de chips semicondutores, aumentando a eficiência de custos e possibilitando uma adoção ampla no mercado.

“Essa tecnologia de filme fino tem o potencial de passar de sistemas de refrigeração de pequena escala para apoiar aplicações HVAC em grandes edifícios, da mesma forma que baterias de íon de lítio foram escaladas para energizar dispositivos tão pequenos quanto celulares e tão grandes quanto veículos elétricos,” afirmou Venkatasubramanian.

Além disso, os materiais CHESS foram criados usando um processo bem estabelecido comumente empregado na fabricação de células solares de alta eficiência que alimentam satélites e luzes LED comerciais.

“Usamos deposição química de vapor orgânico metálico (MOCVD) para produzir os materiais CHESS, um método conhecido por sua escalabilidade, custo-efetividade e capacidade de suportar a fabricação em grande volume,” disse Jon Pierce, engenheiro de pesquisa sênior que lidera a capacidade de crescimento MOCVD no APL. “O MOCVD já é amplamente utilizado comercialmente, tornando-o ideal para aumentar a produção de materiais termelétricos em filme fino CHESS.”

Esses materiais e dispositivos continuam a mostrar potencial para uma ampla gama de aplicações de aproveitamento de energia e eletrônicos além dos recentes avanços em refrigeração. O APL planeja continuar a parceria com organizações para refinar os materiais termelétricos CHESS com foco em aumentar a eficiência para se aproximar da eficiência de sistemas mecânicos convencionais. Os 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 refrigeração e equipamentos HVAC compartmentalizados ou distribuídos.

“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 Programa de Exploração na Área de Missão de Pesquisa e Desenvolvimento Exploratória do APL. “Além de avançar sistemas táteis de próxima geração, próteses e interfaces homem-máquina, isso abre a porta para tecnologias escaláveis de aproveitamento de energia para aplicações que vão de computadores a espaçonaves — capacidades que não eram viáveis com dispositivos termelétricos mais antigos e volumosos.”

“O sucesso desse esforço colaborativo demonstra que a refrigeração de estado sólido de alta eficiência não é apenas cientificamente viável, mas também fabricável em escala,” disse Susan Ehrlich, gerente de comercialização de tecnologia do APL. “Estamos ansiosos por oportunidades contínuas de pesquisa e transferência de tecnologia com empresas enquanto trabalhamos para traduzir essas inovações em aplicações práticas e do mundo real.”