Crio-resfriadores são unidades de refrigeração ultracold utilizadas em cirurgia e desenvolvimento de medicamentos, fabricação de semicondutores, e nave espacial. Eles podem ser tubos, bombas, tamanhos de mesa, ou sistemas de refrigeração maiores.

O trocador de calor regenerativo, ou regenerador, é um componente principal dos resfriadores criogênicos. Em temperaturas abaixo de 10 kelvins (-441,67 graus Fahrenheit), o desempenho cai vertiginosamente, com perda máxima do regenerador de mais de 50%.

Em seu jornal, publicado em Cartas de Física Aplicada , pesquisadores da Universidade da Academia Chinesa de Ciências usaram partículas de carbono superativadas como um material regenerador alternativo para aumentar a capacidade de resfriamento em temperaturas tão baixas quanto 4 Kelvin.

Na maioria dos resfriadores criogênicos, um compressor conduz o gás à temperatura ambiente através do regenerador. O regenerador absorve o calor da compressão, e o gás resfriado se expande. O gás ultracold oscilante absorve o calor aprisionado no regenerador, e o processo se repete.

O nitrogênio é o gás mais comumente usado em resfriadores criogênicos. Mas para aplicações que requerem temperaturas abaixo de 10 Kelvin, como instrumentos de telescópio espacial e sistemas de imagem por ressonância magnética, hélio é usado, porque tem o ponto de ebulição mais baixo de qualquer gás, permitindo as temperaturas mais frias possíveis.

Contudo, o alto calor específico do hélio (a quantidade de transferência de calor necessária para mudar a temperatura de uma substância) resulta em grandes flutuações de temperatura durante o ciclo de compressão e expansão em baixas temperaturas, que afeta seriamente a eficiência de resfriamento.

Para resolver este problema, pesquisadores substituíram os metais de terras raras convencionais do regenerador por carvão ativado, que é carbono tratado com dióxido de carbono ou vapor superaquecido em altas temperaturas. Isso cria uma matriz de poros de tamanho mícron que aumenta a área de superfície do carbono, permitindo que o regenerador retenha mais hélio em baixas temperaturas e remova mais calor.

Os pesquisadores usaram um resfriador Gifford-McMahon de 4 kelvins para testar a capacidade de adsorção de hélio em partículas de carbono superativadas com uma porosidade de 0,65 em faixas de temperatura variadas de 3-10 kelvins.

Eles descobriram quando encheram o regenerador com 5,6% de carbono com diâmetros entre 50 e 100 mícrons, a temperatura sem carga obtida de 3,6 kelvins foi a mesma do uso de metais preciosos. Contudo, em 4 kelvins, capacidade de resfriamento aumentada em mais de 30%.

Eles confirmaram o desempenho aprimorado colocando carvão ativado com casca de coco em um tubo de pulso experimental que construíram e usando um modelo de cálculo termodinâmico.

"Além de fornecer maior capacidade de resfriamento, o carvão ativado pode servir como uma alternativa de baixo custo aos metais preciosos e também pode beneficiar os detectores de baixa temperatura que são sensíveis ao magnetismo, "autor Liubiao Chen disse.