Pais: Brasil

Fecha: 05 de Marzo del 2019

El estudio simula el uso de nanotubos de carbono en el sistema de refrigeración por UNICAMP, Brasil

Trabajo de Iniciación Científica de estudiante del IFGW rindió artículo publicado en el periódico alemán Annalen der Phisik. El estudio computacional desarrollado por el estudiante de graduación en Física Tiago Cantuario estimó el coeficiente de performance (COP) de una máquina refrigeradora que utiliza nanotubos de carbono como elemento refrigerante. El modelo fue basado en el efecto elastocalórico, fenómeno que produce variación de temperatura de un material sólo por la aplicación de fuerzas externas y deformaciones sobre él. El trabajo, realizado en el contexto del proyecto de Iniciación Científica del autor, fue orientado por el profesor Alexandre Fontes da Fonseca, del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) de la Unicamp. De acuerdo con Fonseca, aunque los conceptos abordados en el estudio son relativamente simples, normalmente trabajados en el aula en la disciplina de Física 2, los resultados obtenidos presentan aspectos originales. Tanto es así que la investigación ha arrojado artículo que fue publicado en una de las revistas científicas más antiguas y alemanes conocidos, el Annalen der Phisik . "La publicación fue un desdoblamiento importante que no teníamos inicialmente como objetivo", observa el docente. Para entender el estudio conducido por Tiago, puntualiza Fonseca, antes hay que comprender lo que es el efecto elastocalórico, descubierto por la ciencia en el siglo 19. "El material que ayudó a descifrar ese fenómeno fue el caucho. Se constató que cuando el caucho se estira rápidamente, sufre un ligero calentamiento. El efecto contrario ocurre cuando, después de ser estirado, se distensa. Lo que pasa es que al deformar la estructura del material con una cierta rapidez para que no haya tiempo de intercambiar calor con el medio externo, el resultado es la variación de temperatura ", explica. Al analizar lo que la literatura presenta sobre el asunto, Tiago y Fonseca identificaron un trabajo que hacía el cálculo computacional del efecto elastocalórico en nanotubos de carbono. "El nanotubo de carbono no es más que una estructura enrollada sobre sí misma. Este estudio realizó simulaciones utilizando métodos de dinámica molecular clásica, con aplicación de fuerza y ??deformación del material en el sentido longitudinal. Con ello, los investigadores estimaron la variación de temperatura adiabática, o sea, aquella en que no hay intercambio de calor con el medio externo. "Ellos obtuvieron una variación de temperatura en torno a 30 grados centígrados", relata el docente. En posesión de esas informaciones, Tiago asumió como primer desafío reproducir la metodología descrita en el trabajo, tarea en la cual fue exitoso. "Sin embargo, decidimos dar un paso adelante. El estudio extranjero estimó la diferencia de temperatura considerando solamente el proceso de estirar y soltar los nanotubos. Hemos tenido en cuenta un ciclo termodinámico completo. Para entender mejor este ciclo, imagine un refrigerador común. Para funcionar, depende de un material refrigerante, que en este caso es un gas. Este material tiene que entrar en contacto con dos sistemas - o dos ambientes -, que presentan temperaturas diferentes. El objetivo es retirar el calor de la región que pretendemos enfriar y arrojarlo al ambiente externo ", detalló el profesor Fonseca. De esta forma, el estudio de la Unicamp estimó tanto la variación de temperatura al estirar y aflojar los nanotubos como el COP de un ciclo termodinámico, que es la relación entre la cantidad de calor retirada de la región que se desea enfriar, a partir del uso de la menor energía externa posible. Para tener una idea, los refrigeradores comerciales normalmente presentan un buen coeficiente de rendimiento. El sistema alcanza el 60% de un límite físico determinado por las leyes de la naturaleza, el llamado límite de Carnot. Esto equivale a un COP en torno a 8. En el ciclo tomado para el análisis por Santiago, con el uso de dos nanotubos diferentes, los coeficientes de rendimiento fueron 4,1 y 6,5, respectivamente. "Son resultados que están cerca de la eficiencia de los refrigeradores comerciales. Tanto el profesor Fonseca como el estudiante Santiago esperan, ahora, que grupos experimentales se interesen por los resultados. Aunque los nanotubos de carbono son elementos extremadamente pequeños, del orden de la billonésima parte del metro, el docente considera que pueden ser integrados como material refrigerante en dispositivos igualmente diminutos, como circuitos electrónicos y chips, ya que algunos tipos de nanotubos presentan propiedades electrónicas o semiconductor . "Un desafío a ser superado es cómo aplicar la fuerza para deformar ese material, en esa escala de tamaño, y obtener la variación de temperatura. Pero eso es un problema que el personal de la ingeniería, que es muy creativo, seguramente conseguirá resolver ", infiere. Traducido del portugués. Seguir leyendo