Os recentes avanços no desenvolvimento de detectores fotovoltaícos de ondas longas para imageadores instalados em satélites artificiais, tem gerado uma demanda cada vez maior de sistemas criogênicos de refrigeração de alta confiabilidade e baixos peso e consumo de energia. Mini-refrigeradores criogênicos termo-acústicos, estão sendo desenvolvidos hoje pelos principais centros de pesquisas espaciais no mundo como alternativa aos sistemas passivos de refrigeração (radiadores criogênicos) e aos refrigeradores termoelétricos. Recentes avanços também na área de micro-eletrônica, em especial os micro-processadores com velocidades crescentes e alto nível de integração (alta densidade de potência) demandam por refrigeradores miniaturizados, com alta confiabilidade e baixo peso. Os refrigeradores convencionais, têm partes frias móveis, que reduz sensivelmente sua vida útil, não sendo portanto compatíveis com os micro-circuitos de alta confiabilidade.
O mini-refrigerador termo-acústico é constituído de um tubo de aço inox contendo uma mistura de gases (normalmente hélio e xenônio), um alto-falante instalado em uma de suas extremidades e um defasador termo-acútico (DTA) posicionado no interior do tubo, na extremidade oposta. Ao acionar o alto falante com uma freqüência adequada, são produzidos pulsos de compressão e descompressão do gás que originam trocas sucessivas de calor entre as várias camadas do DTA e o gás, ora cedendo calor ora retirando, de forma que no final é retirada uma quantidade de calor do DTA maior que a cedida. A retirada líquida é proporcional ao trabalho realizado pelo som ao se deslocar pelo gás. Esta tecnologia além de ser muito promissora para aplicação espacial e na refrigeração local de micro-circuitos, aparece também como uma alternativa para os refrigeradores domésticos, já que resolve um problema ainda sem solução, que é a substituição dos CFC’s.
Desenvolver um sistema de refrigeração de satélites baseado no fenômeno termoacústico. Esse foi o desafio da Equatorial Sistemas, de São José dos Campos, ao dar entrada, na FAPESP, em 1997, de um pedido de financiamento dentro do Programa de Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (PIPE). Hoje, o equipamento já tem vários protótipos. O engenheiro Humberto Pontes Cardoso, coordenador do projeto dentro da empresa, explica que o equipamento servirá para manter os detectores de câmeras infravermelhas (que mapeiam o solo de um corpo celeste) trabalhando na temperatura ideal para esse tipo de equipamento, em 190 graus celsius negativos. Assim, quando o satélite estiver sob ação dos raios solares, o refrigerador terá que diminuir a temperatura de cerca de 15 graus positivos (média de temperatura da parte interna do satélite) para -190° C. Cardoso, engenheiro mecânico com doutorado em ciências térmicas, explica que, na terra, as transferências de calor são, comumente, realizadas com o ar. No vácuo, é necessário encontrar um outro meio de troca calórica. Aproveita-se, então, a energia mais abundante de um satélite, a elétrica. Ela se transforma em energia acústica, que é responsável pelo resfriamento.
“Num refrigerador doméstico, o gás é comprimido até virar líquido, para trocar calor com o ar atmosférico. No refrigerador de satélite, a onda sonora produzida pela vibração é que vai gerar resfriamento”, explica Cardoso. O primeiro protótipo fabricado pelo pesquisador compõe-se, basicamente, de três componentes: um ressoador, que é um tubo cheio de gás hélio e xenônio, um acionador ou driver, que é um pequeno alto-falante, e um defasador termoacústico, o DTA, dispositivo responsável por transformar energia acústica em térmica. Quando se aciona o alto-falante com a freqüência adequada (utilizando a energia elétrica do satélite), ele vibra, produzindo ondas sonoras sobre o gás, que troca energia térmica com o DTA, sofrendo resfriamento. “A retirada líquida é proporcional ao trabalho realizado pelo som ao se deslocar pelo gás”, explica Cardoso. Num segundo protótipo, o pesquisador trocou o alto-falante por outro tipo de acionador, um cristal piezelétrico, material que tem a característica de crescer, quando recebe voltagem positiva, e encolher, ao receber voltagem negativa. Isso acontece porque esse cristal tem a propriedade de alterar suas dimensões quando submetido a diferenças de voltagem. Esse movimento provoca vibrações sucessivas, transformando energia elétrica em acústica da mesma forma que o alto-falante. O novo protótipo, segundo o pesquisador, tem a vantagem de ser mais leve que o primeiro, mas ele ainda está estudando qual modelo terá maior eficiência.
Até o momento não há no mercado nenhum desses dispositivos qualificados para vôo. “Os países mais desenvolvidos já dominam um sistema de refrigeração de alto custo adequado para refrigeração de sensores de mísseis que tem vida útil reduzida para um ou dois dias. Mas para o uso em satélites, que ficam em órbita por até dez anos no espaço, são soluções caríssimas. Há uma grande corrida por esse tipo de equipamento com menor custo e processos de fabricação mais simples”, afirma o pesquisador. O projeto tem um orçamento de R$ 260 mil. Os testes no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) devem ser feitos em agosto ou setembro deste ano. Depois, a meta é conseguir uma vaga em experimento do Inpe e mandar um protótipo ao espaço. “Esta tecnologia, além de ser muito promissora para a aplicação espacial, pode ser uma boa alternativa para os refrigeradores domésticos, pois substitui o CFC pelo gás hélio, que é inerte e não agride a camada de ozônio”, afirma Cardoso.
Fonte: http://www.fapesp.br/tecnolog615.htm
http://watson.fapesp.br/PIPEM/Engenharias/engaero1.htm
acesso em maio de 2002
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