Calor e som acionam motores e geladeiras de estado sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/05/2018

A termoacústica em sólidos permitirá fabricar motores sem partes móveis que podem até permanecer operando indefinidamente. [Imagem: Mo Lifton/Purdue University]

Motores sólidos

Um sólido pode funcionar como um meio para que ondas de calor e ondas sonoras interajam exatamente como ocorre com os fluidos usados nos motores termoacústicos e nos refrigeradores - com a vantagem de resultarem em motores sem vazamentos e que podem até permanecer operando indefinidamente.

Pesquisadores das universidades de Purdue e Notre Dame, nos EUA, demonstraram pela primeira vez que a termoacústica pode ocorrer também nos sólidos, assim como ela opera nos fluidos.

Até agora, o projeto de motores termoacústicos, que dependem da interação entre oscilações de temperatura e ondas sonoras, tem andado de lado devido à etapa extra de construir algo para conter os fluidos - eles insistem em vazar.

Então, a saída pode ser fazer tudo sólido.

"Embora ainda esteja em sua infância, essa tecnologia pode ser particularmente eficaz em ambientes agressivos, como o espaço exterior, onde fortes variações de temperatura estão disponíveis gratuitamente, e onde falhas no sistema colocam em risco toda a missão," disse o professor Fabio Semperlotti.

Máquinas termoacústicas

A termoacústica é um fenômeno estabelecido e bem estudado em fluidos - gases e líquidos. "A aplicação de calor a um fluido contido em um duto ou cavidade induzirá a geração espontânea de ondas sonoras se propagando no próprio fluido. Isso resulta nos chamados tubos cantantes [experimentos usados em feiras de ciências] ou em máquinas termoacústicas," explicou o pesquisador Carlo Scalo.

Ou seja, a termoacústica permite que vibrações mecânicas residuais ou calor sejam convertidos em outras formas úteis de energia.

Para refrigeração, as ondas sonoras geram um gradiente de temperatura de quente e frio - o movimento vibratório torna as áreas frias mais frias e as quentes mais quentes. Os motores usam o processo oposto: um gradiente de temperatura - o calor residual de uma máquina ou forno, por exemplo - é transformado em vibrações mecânicas.

• Fogão, geladeira e gerador, tudo a lenha, graças à tecnologia termoacústica

Termoacústica de estado sólido

A termoacústica de estado sólido inicialmente parecia improvável, uma vez que os sólidos são um pouco mais estáveis do que os fluidos e tendem a dissipar a energia mecânica mais rapidamente, tornando mais difícil para o calor gerar ondas sonoras.

Mas a equipe desenvolveu um modelo teórico demonstrando que uma haste fina de metal pode apresentar vibrações mecânicas autossustentadas se um gradiente de temperatura for aplicado periodicamente aos segmentos da haste. Isso equilibra a dissipação de energia mecânica indesejada. Se o sólido contrair menos quando resfriado e expandir mais quando aquecido, o movimento resultante aumentará com o tempo.

Os sólidos também podem ser fabricados de forma a alcançar as propriedades necessárias para alcançar um alto desempenho termoacústico. "Os fluidos não nos permitem fazer isso," disse Semperlotti.

• Motor Acústico gera eletricidade a partir de ondas sonoras

Geradores espaciais

As diferenças de temperatura extremas no espaço são perfeitas para gerar vibrações mecânicas, que poderão então ser convertidas em energia elétrica para alimentar espaçonaves, satélites e sondas espaciais.

"Um dispositivo de estado sólido usaria o Sol como sua fonte de calor e a radiação para o espaço profundo como sua fonte fria," explicou Semperlotti. "Esses sistemas podem operar indefinidamente, dado que eles não têm qualquer parte móvel ou fluido que possa vazar."

A equipe está agora construindo uma configuração experimental para validar sua teoria e entender melhor a termoacústica de sólidos.

• Gerador termoacústico sem partes móveis para naves espaciais

Bibliografia:

Thermoacoustics of solids: A pathway to solid state engines and refrigerators
Haitian Hao, Carlo Scalo, Mihir Sen, Fabio Semperlotti
Journal of Applied Physics
Vol.: 123, 024903
DOI: 10.1063/1.5006489