Ecologicamente Amigável e Eficiente: Como os Motores Stirling Termoacústicos estão Transformando o Jogo Aeroespacial

Os Motores Stirling Termoacústicos (TASE) podem parecer muito para absorver de uma só vez. Mas, em princípio, eles são equivalentes acústicos dos motores Stirling. Portanto, antes de aprofundar nos TASEs, devemos começar pelos Motores Stirling.

O que é um Motor Stirling?

O nome vem de seu inventor, o Reverendo Robert Stirling, que criou um motor de calor externo muito diferente dos motores de combustão interna tradicionais usados em carros. Ele se diferencia pelo uso do ciclo de agitação, que possui três características principais.

• Os gases usados dentro de um motor Stirling nunca deixam o motor. Ao contrário de motores a gasolina ou diesel, esses motores não possuem válvulas de escape para ventilar gases de alta pressão. Também não ocorrem explosões. Como resultado, os motores Stirling são muito silenciosos.
• Como não é um motor de combustão interna, requer uma fonte de calor externa. Essa fonte de calor pode ser raios solares, calor geotérmico, gasolina ou energia solar. O calor pode até vir de uma planta em decomposição.
• Finalmente, tudo o que se precisa é uma hélice de volante com um giro suave para iniciar o motor.

Nessa tradição de construção de motores Stirling surgem os Motores Stirling Termoacústicos ou TASEs, os equivalentes acústicos dos motores Stirling.

TASEs: Os Equivalentes Acústicos dos Motores Stirling

Os Motores Stirling Termoacústicos ganharam impulso e destaque no campo da pesquisa científica devido ao seu baixo custo de fabricação, alta eficiência, recursos sem necessidade de manutenção e capacidade de autoarranque.

Uma das categorias mais populares de Motores Stirling Termoacústicos são os Motores de Calor Stirling Termoacústicos ou TASHEs. Esses dispositivos podem converter calor em energia acústica com uma taxa de alta eficiência. Seu potencial reside no fato de não envolver partes móveis, e os componentes são relativamente simples. Esses sistemas são menos custosos de fabricar e manter. Muitos os preferem como meio de gerar energia limpa e eficaz.

Como os TASHEs Funcionam?

O processo de conversão de energia nesses motores ocorre no regenerador. Um regenerador é um bloco metálico poroso entre um trocador de calor quente (HHX) e um trocador de calor frio ou ambiente. Essas posições nas duas extremidades ajudam a manter um gradiente de temperatura médio na direção axial. Ondas acústicas que propagam através dele – com a fase correta – podem ser amplificadas por um processo termodinâmico semelhante ao ciclo Stirling.

Por que os Motores Stirling Termoacústicos são Benéficos?

A escassez de combustíveis fósseis é um desafio que a humanidade enfrenta a curto prazo. Os combustíveis fósseis também não são benéficos para a saúde do planeta e trazem uma série de preocupações de sustentabilidade.

As comunidades científicas têm contemplado o uso de fontes alternativas de combustível, incluindo energia solar, energia geotérmica, biocombustíveis/biomassa, radioisótopos e mais.

Neste cenário, os motores Stirling têm demonstrado bons resultados devido à sua alta eficiência, ciclo termodinâmico fechado, operação silenciosa, baixa vibração, longa vida útil e baixa manutenção.

Podem existir dois tipos de motores Stirling: o convencional e o avançado.

A Evolução dos Motores Stirling Termoacústicos: Inovações e Avanços

Conhecer a história dos TASEs é crucial para entender como eles cumprem seu propósito e qual tem sido a natureza da tecnologia.

Já falamos sobre ondas acústicas que passam através do gradiente entre trocadores de calor quente e frio ou ambiente em dois lados.

Até a década de 1980, a eficiência da maioria dos projetos neste campo normalmente não ultrapassava 5%. Marcando um ponto de virada em 1979, um avanço significativo foi alcançado por Ceperley. Ele demonstrou que ondas viajantes podem extrair energia acústica de forma mais eficiente, o que levou ao conceito de design dos TASHEs de onda viajante usados hoje.

O que acontece nesse esquema mais eficiente é que parte da energia acústica gerada retorna ao regenerador por meio de algum tipo de loop de realimentação e, em parte, é direcionada a um ressonador para extração de energia.

O primeiro decênio do milênio viu mais melhorias na tecnologia por trás dos TASHEs. Em 2011, Tijani & Spolestra projetaram um TASHE de onda viajante que alcançou uma notável eficiência geral de 49% do limite de Carnot. Para contextualizar, o Limite de Carnot estabelece um limite absoluto para a eficiência com que a energia térmica pode ser convertida em trabalho útil.

No mais recente desenvolvimento no campo dos TASEs, a China desenvolveu recentemente um gerador Stirling termoacústico de alta eficiência, que pode fornecer 140 hp ou 102 kW de potência a partir de uma fonte de calor de 986 graus Fahrenheit. O desenvolvimento veio dos pesquisadores do Instituto Técnico de Física e Química da Academia Chinesa de Ciências. Foi a primeira vez que tal gerador Stirling ultrapassou 134 hp ou 100 kW de potência.

Esta inovação chinesa é vista por muitos como um potencial divisor de águas devido à sua versatilidade. Ela pode operar com uma variedade de diferentes fontes de calor e pode mudar a forma como a energia é gerada, oferecendo soluções para diversas necessidades energéticas.

De acordo com a equipe que a inovou, sua confiabilidade, design simples e compatibilidade com diversas fontes de calor podem fazê-la competir com a eficiência das turbinas a vapor. O design do motor elimina vibrações do sistema e ajuda a manter uma vedação hermética. A inovação pode ajudar a tornar a China submarinos ultra silenciosos e não nucleares.

Outro estudo de 2017 propôs geração de energia Stirling termoacústica a partir de energia fria de GNL e calor residual de baixa temperatura. O estudo resultou no design de um gerador Stirling termoacústico operado com gás hélio a 4 MPa capaz de gerar 2,3 kW de energia elétrica com a mais alta eficiência de exergia de 0,253 quando as extremidades fria e quente são mantidas em 110 K e 500 K.

A evolução do Motor Stirling Termoacústico como solução para introduzir níveis mais altos de eficiência energética tem sido estudada de perto por pesquisadores e tecnólogos de alto nível ao redor do mundo. E muito trabalho tem sido realizado na frente de soluções empresariais em larga escala.

Organizações que Aproveitam os Motores Stirling Termoacústicos

1. NASA

A NASA fez progressos significativos na área de Motores Stirling Termoacústicos. A solução, conhecida como Conversor de Energia Termoacústica Stirling e Alternador Magnetostrictivo, elimina todas as partes móveis para máxima eficiência e confiabilidade.

Tecnologia Inovadora Desenvolvida pelo Glenn Research Center da NASA

Essa tecnologia torna os motores Stirling mais eficientes e menos custosos. Ela aproveita conversores de energia termoacústica onde o som é usado para transformar calor em energia elétrica. O sistema utiliza pressões e oscilações de volume impulsionadas por calor de fontes termoacústicas para alimentar alternadores piezoelétricos ou outras tecnologias de conversão de energia. Este dispositivo é capaz de gerar eletricidade com eficiência incomparável.

O impacto da inovação da NASA tem sido de grande alcance. O conversor de energia termoacústica ajudou a remodelar o motor Stirling convencional de uma forma toroidal para um arranjo colinear reto. Essa inovação garante que sistemas futuros não precisem depender de tubos mecânicos de inércia e conformidade propensos a falhas. O objetivo pode ser alcançado usando ressonância acústica com componentes eletrônicos.

A inovação resultou em algo eficiente, confiável, de baixo custo, compacto e versátil. Pode ser usado em geração distribuída e sistemas de energia residenciais, sistemas de cogeração, geração de energia solar concentrada, veículos elétricos híbridos, sistemas de refrigeração, bombas de calor, sistemas de energia subaquáticos e marinhos, e unidades de energia auxiliares.

2. SpaceX

Há uma alta probabilidade de que a SpaceX (SPCX ), outro gigante da tecnologia espacial e de aviação, explore os TASEs em breve. Isso poderia ajudá-los a alcançar maior eficiência na conversão de calor em trabalho mecânico.

Baixos custos de fabricação e manutenção podem levar à produção de espaçonaves mais leves a custos menores. Também ajudaria a SpaceX a gerenciar o calor de forma eficaz, com capacidades aprimoradas de geração de energia em missões de espaço profundo.

De acordo com relatórios publicados em meados de agosto de 2023, a receita crescente da SpaceX a tornou lucrativa no primeiro trimestre de 2023 após duas perdas anuais. A empresa de propriedade de Elon Musk gerou US$55 milhões de lucro sobre US$1,5 bilhão de receita no período de janeiro a março. Foi avaliada em quase US$150 bilhões em uma recente venda de ações pelos funcionários.

3. Sierra Lobo, Inc.

Com sede em Fremont, Ohio, a Sierra Lobo, Inc., fornece serviços especializados de teste, avaliação e engenharia espacial e aeroespacial em todo o mundo. Desenvolveu motores de calor Stirling termoacústicos completos que podem operar com uma variedade de fontes de energia/calor, com alta eficiência e confiabilidade, sem partes móveis. É compacto e escalável e pode ser usado em aplicações espaciais devido à sua operação independente da gravidade.

Espera‑se que esses motores de calor encontrem aplicações em muitas áreas, incluindo geração de energia acústica e ondas de pressão e geração elétrica para aplicações terrestres, subaquáticas e espaciais. Eles podem produzir simultaneamente energia elétrica e de refrigeração, acionar um alternador linear para geração de energia elétrica, e refrigerador e criocooler para geração de refrigeração.

Desafios e Oportunidades no Caminho à Frente

Os Motores de Calor Stirling Termoacústicos (TASEs), uma categoria específica de motores Stirling, demonstraram grande potencial no desenvolvimento de fontes de energia adequadas para viagens ao espaço profundo. A NASA, particularmente através de seu Glenn Research Center, tem estado na vanguarda da exploração da eficiência e dos atributos de baixa manutenção da tecnologia. Espera‑se que essa tecnologia avance ainda mais, apoiando sistemas de energia que podem ser fundamentais em inúmeros projetos de exploração espacial, potencialmente incluindo o fornecimento de energia para bases na Lua e em Marte.

Esses motores são preferidos por sua capacidade de oferecer uma eficiência térmica‑elétrica muito alta em comparação com outros motores de calor. A ausência de sistemas de rolamentos e partes móveis nos TASEs reduz significativamente o risco de falhas e os custos de fabricação.

No entanto, para se tornar a escolha mais preferida, ainda há um trabalho substancial a ser feito no refinamento dessa tecnologia. Atualmente, os TASEs enfrentam desafios de volume e peso, principalmente porque seu design, que envolve trocadores de calor nos pontos quente e frio, resulta em uma formação mais volumosa e pesada do que os motores de combustão interna tradicionais com potência equivalente.

Além disso, os TASEs costumam ser desafiados por uma partida mais lenta devido à inércia térmica inerente. Sua aplicação é limitada em cenários que exigem partidas rápidas ou mudanças rápidas de velocidade. No entanto, inovações tecnológicas em andamento visam superar esses desafios, posicionando os TASEs como um componente crucial para operações espaciais de alta tecnologia e além.

Clique aqui para a lista das 10 principais ações de tecnologia com potencial de crescimento futuro.