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O excesso de calor de dispositivos eletrônicos ou mecânicos é um sinal ou causa de desempenho ineficiente. Em muitos casos, sensores embutidos para monitorar o fluxo de calor podem ajudar os engenheiros a alterar o comportamento ou o design do dispositivo para melhorar sua eficiência. Pela primeira vez, os pesquisadores exploram um novo fenômeno termoelétrico para construir um sensor fino que pode visualizar o fluxo de calor em tempo real. O sensor pode ser construído dentro de dispositivos onde outros tipos de sensores são impraticáveis. Também é rápido, barato e fácil de fabricar usando métodos bem estabelecidos.
De acordo com a lei da conservação da energia, a energia nunca é criada ou destruída, mas apenas muda de forma de uma para outra dependendo da interação entre as entidades envolvidas. Toda energia acaba se transformando em calor. Para nós isso pode ser útil, por exemplo, quando queremos aquecer nossas casas no inverno; ou prejudicial, quando queremos esfriar algo ou tirar o máximo proveito de um aplicativo movido a bateria. De qualquer forma, quanto melhor pudermos gerenciar o comportamento térmico de um dispositivo, melhor poderemos contornar esse efeito inevitável e melhorar a eficiência do dispositivo em questão. No entanto, é mais fácil dizer do que fazer, pois saber como o calor flui dentro de algum dispositivo complexo, em miniatura ou perigoso é algo que varia do difícil ao impossível, dependendo da aplicação.
Inspirados por esse problema, o professor associado do projeto Tomoya Higo e o professor Satoru Nakatsuji, do Departamento de Física da Universidade de Tóquio, e sua equipe, que incluía uma parceria corporativa, decidiram encontrar uma solução. “A quantidade de calor conduzida por um material é conhecida como fluxo de calor. Encontrar novas maneiras de medir isso pode ajudar não apenas a melhorar a eficiência do dispositivo, mas também a segurança, pois baterias com gerenciamento térmico ruim podem ser inseguras e até mesmo para a saúde, pois vários problemas de saúde ou estilo de vida podem estar relacionados ao calor do corpo”, disse Higo. “Mas não é fácil encontrar uma tecnologia de sensor para medir o fluxo de calor, ao mesmo tempo que satisfaça uma série de outras condições, como robustez, eficiência de custo, facilidade de fabricação e assim por diante.
A equipe explorou a maneira como um sensor de fluxo de calor composto por certos materiais magnéticos especiais e eletrodos se comporta quando há padrões complexos de fluxo de calor. O material magnético baseado em ferro e gálio exibe um fenômeno conhecido como efeito Nernst anômalo (ANE), que é onde a energia térmica é convertida de forma incomum em um sinal elétrico. Este não é o único efeito magnético que pode transformar calor em energia. Há também o efeito Seebeck, que pode realmente criar mais energia elétrica, mas requer uma grande quantidade de material, e os materiais são quebradiços e difíceis de trabalhar. A ANE, por outro lado, permitiu que a equipe projetasse seu dispositivo em uma folha de plástico incrivelmente fina e maleável.
“Ao encontrar os materiais magnéticos e de eletrodo corretos e aplicá-los em um padrão de repetição especial, criamos circuitos eletrônicos microscópicos que são flexíveis, robustos, baratos e fáceis de produzir e, acima de tudo, são muito bons em fornecer dados de fluxo de calor em tempo real”, disse Higo. “Nosso método envolve enrolar uma folha fina de plástico PET claro, forte e leve como uma camada de base, com materiais magnéticos e eletrodos espalhados sobre ela em camadas finas e consistentes. Em seguida, gravamos nossos padrões desejados no filme resultante, semelhante à forma como os circuitos eletrônicos são feitos.”
A equipe projetou os circuitos de uma maneira particular para aumentar o ANE enquanto também suprimia o efeito Seebeck, pois isso realmente interfere no potencial de coleta de dados do ANE. Tentativas anteriores de fazer isso não tiveram sucesso de nenhuma maneira que pudesse ser facilmente ampliada e potencialmente comercializada, tornando esse sensor o primeiro de seu tipo.
“Prevejo ver aplicações downstream, como geração de energia ou data centers, onde o calor impede a eficiência. Mas, à medida que o mundo se torna mais automatizado, podemos ver esses tipos de sensores em ambientes de fabricação automatizados, onde podem melhorar nossa capacidade de prever falhas de máquinas, certos problemas de segurança e muito mais”, disse Nakatsuji. “Com novos desenvolvimentos, podemos até ver aplicações médicas internas para ajudar os médicos a produzir mapas de calor internos de áreas específicas do corpo, ou órgãos, para auxiliar na geração de imagens e no diagnóstico”.
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