Geladeiras de estado sólido viabilizadas por termoelétricos nanoengenheirados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/06/2025

Unidade de refrigeração e dispositivos de teste usados para demonstrar as vantagens do novo material termoelétrico.
[Imagem: Johns Hopkins APL/Ed Whitman]

Geladeiras de estado sólido

Uma nova tecnologia de refrigeração termoelétrica de estado sólido, de fabricação fácil e barata, mesmo usando materiais nanoengenheirados, mostrou-se duas vezes mais eficiente do que os melhores dispositivos termoelétricos disponíveis comercialmente.

É um avanço que oferece uma alternativa escalável à refrigeração tradicional baseada em compressores, em um momento em que cresce a demanda global por soluções de refrigeração mais compactas, confiáveis e energeticamente eficientes.

A tecnologia é o resultado de 10 anos de pesquisa em materiais termoelétricos nanoengenheirados, conhecidos como "estruturas de super-rede projetadas hierarquicamente". Inicialmente desenvolvido para aplicações médicas, em terapias de resfriamento não invasivas para próteses, o material agora está pronto para voos para longos.

"Esta demonstração prática em condições do mundo real da refrigeração utilizando novos materiais termoelétricos demonstra as capacidades dos filmes finos nanoengenheirados," disse Rama Venkatasubramanian, do Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins, nos EUA. "Isso marca um avanço significativo na tecnologia de refrigeração e prepara o terreno para traduzir os avanços em materiais termoelétricos em aplicações práticas de refrigeração em larga escala e com eficiência energética."

Diagrama da geladeira de estado sólido desenvolvida pela equipe.
[Imagem: Jake Ballard et al. - 10.1038/s41467-025-59698-y]

Refrigeração termoelétrica

A refrigeração termoelétrica resfria usando elétrons para mover o calor através de materiais semicondutores especializados, eliminando a necessidade de peças móveis ou gases nocivos, tornando esses refrigeradores de estado sólido silenciosos, compactos, confiáveis e sustentáveis.

Materiais termoelétricos já são usados em dispositivos pequenos, como minigeladeiras, mas sua eficiência limitada, baixa capacidade de bombeamento de calor e incompatibilidade com a fabricação escalável de chips semicondutores têm historicamente impedido seu uso mais amplo em sistemas de alto desempenho.

Mas passar dos materiais sólidos tradicionais para os materiais nanoengenheirados mostrou-se uma opção mais do que vantajosa. A melhoria alcançada atingiu quase 100% na eficiência em relação aos materiais termoelétricos tradicionais à temperatura ambiente (cerca de 25 °C).

Em termos de material, a melhoria alcança quase 75% na eficiência em nível de dispositivo em módulos termoelétricos e 70% na eficiência em um sistema de refrigeração totalmente integrado. Os testes foram realizados em condições que envolveram quantidades significativas de bombeamento de calor, para replicar uma operação prática realista.

O material termoelétrico pode ser fabricado usando a tecnologia tradicional de semicondutores.
[Imagem: Jake Ballard et al. - 10.1038/s41467-025-59698-y]

Produção em massa

Além de melhorar a eficiência, a tecnologia de película fina utiliza consideravelmente menos material - apenas 0,003 centímetro cúbico, aproximadamente o tamanho de um grão de areia, por unidade de refrigeração. Essa redução de material significa que os materiais termoelétricos nanoengenheirados podem ser produzidos em massa usando ferramentas de produção de chips semicondutores, diminuindo os custos a ponto de viabilizar sua ampla adoção no mercado.

"Essa tecnologia de película fina tem o potencial de crescer, passando de alimentar sistemas de refrigeração de pequena escala para dar suporte a aplicações de sistemas de ar-condicionado em grandes edifícios, de forma semelhante à forma como as baterias de íons de lítio foram dimensionadas para alimentar dispositivos tão pequenos quanto telefones celulares e tão grandes quanto veículos elétricos," disse Venkatasubramanian.

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