Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais, no Japão, apresentaram um material regenerador formado apenas por cobre, ferro e alumínio capaz de atingir temperaturas criogênicas sem recorrer a elementos de terras raras. A inovação responde a um dos principais desafios da refrigeração ultrafria: a dependência do hólmio, metal escasso e caro usado em refrigeradores mecânicos do tipo Gifford-McMahon.
Como funciona a refrigeração criogênica atual
Equipamentos que precisam operar perto do zero absoluto, caso de supercondutores, computadores quânticos e aparelhos de ressonância magnética, utilizam dois métodos principais de resfriamento. O primeiro depende de hélio líquido, extraído junto ao gás natural e submetido a várias etapas de purificação até chegar a aproximadamente 4 K (-269 °C). O segundo adota refrigeradores mecânicos que também trabalham com hélio, mas empregam uma liga metálica baseada em hólmio para absorver o calor retirado do gás.
Embora eficientes, essas soluções enfrentam limitações de fornecimento. A produção global de hólmio gira em torno de 100 toneladas anuais, concentrada em poucos países. Já o hélio líquido sofre com redução de reservas e picos de preço, criando gargalos para a expansão de tecnologias dependentes de temperaturas extremas.
Frustração magnética como chave da descoberta
O grupo liderado por Noriki Terada explorou o conceito de frustração magnética para contornar o problema. Em materiais com rede cristalina triangular, os spins dos elétrons não conseguem alinhar-se simultaneamente de modo estável. Essa condição impede o ordenamento magnético até que a amostra seja resfriada a valores muito baixos, mantendo o calor específico elevado nesse regime.
Ao aplicar o princípio em uma liga de cobre, ferro e alumínio, a equipa demonstrou desempenho comparável ao das composições que contêm hólmio. Testes práticos indicaram que o novo regenerador consegue extrair a mesma quantidade de calor nas faixas críticas de temperatura usadas por refrigeradores Gifford-McMahon, tradicionalmente dependentes de elementos raros.
Vantagens diretas do uso de metais abundantes
Cobre, ferro e alumínio estão entre os metais mais produzidos no planeta, com cadeias de suprimento consolidadas e preços significativamente mais baixos que os das terras raras. Ao substituir o hólmio por esses elementos, o custo de fabricação de sistemas criogênicos tende a cair, abrindo espaço para ampliar a oferta de equipamentos em laboratórios, hospitais e centros de processamento quântico.
A eliminação de terras raras também reduz a exposição a volatilidade de mercado e a riscos geopolíticos associados a esses materiais. Além disso, a cadeia de reciclagem de metais comuns é mais desenvolvida, o que pode tornar a produção e a manutenção dos refrigeradores menos dependentes de extração mineral.
Imagem: Tecnologia e Inovação
Aplicações possíveis e próximos passos
Segundo os responsáveis pelo estudo, o material apresenta potencial imediato para:
- Refrigeradores usados em ressonância magnética hospitalar
- Sistemas de suporte a computadores quânticos baseados em qubits supercondutores
- Linhas de pesquisa que exigem amostras próximas ao zero absoluto, como física de partículas e testes de novos supercondutores
A equipa pretende agora otimizar o processo de fabricação da liga e avaliar a durabilidade em ciclos térmicos repetidos, requisito essencial para operação comercial. Outros testes devem investigar se o conceito de frustração magnética pode ser estendido a diferentes composições metálicas ou adaptado a refrigeradores que utilizem gases alternativos ao hélio.
Impacto para a indústria e para a pesquisa
Com a demanda por processamento quântico em crescimento e a necessidade de resfriamento eficiente em larga escala, a disponibilidade de um material regenerador baseado em metais abundantes pode servir de base para novos modelos de aparelhos compactos. A medida interessa especialmente a startups e centros de dados que avaliam a viabilidade de incorporar hardware quântico sem depender de suprimentos instáveis.
No campo médico, a redução de custos poderá facilitar a renovação de parques de ressonância magnética em países emergentes, ampliando o acesso a diagnósticos de alta precisão. Para a comunidade científica, a eliminação de barreiras logísticas ligadas ao hélio líquido e às terras raras contribui para tornar experimentos de física quântica menos onerosos e mais sustentáveis.
O trabalho de Noriki Terada e seus colegas sinaliza uma mudança de paradigma na criogenia. Ao mostrar que materiais regeneradores eficazes podem ser produzidos com elementos comuns, o estudo sugere um caminho para superar restrições de fornecimento e viabilizar a expansão de tecnologias que dependem de frio extremo.
