Cientistas desenvolvem material capaz de aquecer e resfriar sem uso de eletricidade

Ondas de calor recentes atingiram áreas, como o norte da Europa e o noroeste do Pacífico, que tradicionalmente sobrevivem sem muito ar-condicionado. À medida que as pessoas nessas regiões se ajustam à nova realidade, provavelmente veremos mudança no uso de eletricidade, com picos de demanda típicos de locais mais ao sul.

A tensão que essas mudanças colocam na rede pode aumentar o desafio de se afastar rapidamente dos combustíveis fósseis. Materiais que aquecem ou resfriam passivamente um ambiente podem reduzir a demanda de energia ao lidar com algumas dessas necessidades sem exigir o uso de energia.

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Alguns desses materiais refletem a luz solar recebida para evitar que ela aqueça um espaço, enquanto outros irradiam calor ativamente para o espaço, o que é ótimo se você estiver preocupado apenas com o calor. Mas muitas dessas áreas passam por estações e têm momentos em que se livrar do calor disperso também aumentará o uso de energia.

Mas, agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nankai, de Tianjin, na China, descobriu uma maneira de se ter “tudo”: Aquecendo com ar frio e resfriando quando as coisas esquentam – tudo sem precisar de energia.

Descoberta pode ajudar construções no resfriamento e aquecimento (Imagem; Andrey_Popov/Shutterstock)

Detectando o calor

O básico de materiais passivos é simples. Para o aquecimento, você precisa de material que absorva a luz e libere energia na forma de calor. O resfriamento pode ser tão simples quanto refletir essa luz.

De uma forma mais complexa, também é possível incorporar materiais que irradiam energia em comprimentos de onda infravermelhos que não são absorvidos pela atmosfera, permitindo assim que os fótons escapem para o espaço.

Normalmente, você se depara com a escolha de um ou de outro – os materiais não podem mudar facilmente de absorvente para refletindo a luz do sol. O melhor que você pode fazer geralmente é ativar ou desativar uma habilidade para que, por exemplo, um material pare de refletir a luz do sol sob algumas condições.

Mas mesmo algumas dessas abordagens exigiram energia para alternar entre os estados. Para o novo material, a equipe de pesquisa se inspirou no dobramento e desdobramento das folhas das plantas de mimosa, que mudam de forma com base nas condições ambientais.

A ideia era usar algo assim para alternar entre os estados de aquecimento e resfriamento com base na temperatura do ambiente. Para que essa ideia funcionasse, eles usaram um polímero que mudava de forma em resposta à temperatura.

O polímero era formado por três subunidades distintas que podiam adotar diferentes conformações quando colocadas sob estresse. Quando as folhas do polímero são esticadas em altas temperaturas (90°C), elas se expandem e contraem em temperaturas típicas do ambiente interno.

Esta folha sensível à temperatura foi então fundida com uma folha transparente que não responde às temperaturas. A folha de bicamada resultante sofreria tensões desiguais devido à mudança de temperatura, fazendo com que ela se enrolasse quando resfriada e se achatasse novamente quando aquecida.

Dispositivo pode aquecer e resfriar sem energia (Imagem: Shutterstock)

Liberando o resfriamento

Por si só, a folha sensível à temperatura não seria especialmente útil. Os pesquisadores, então, tiveram que combiná-la com dois outros materiais. Um era uma terceira camada para a folha sensível à temperatura com duas propriedades principais: Refletia comprimentos de onda visíveis e emitia fótons no infravermelho, permitindo que irradiasse calor. O segundo era um substrato escuro que absorvia a luz visível.

O dispositivo final envolveu uma camada do substrato escuro que, quando exposto à luz solar, o absorverá e o converterá em calor. Além disso, há a folha de três camadas, que muda de forma com base na temperatura e reflete a luz solar enquanto emite no infravermelho.

Em baixas temperaturas, a folha sensível à temperatura se enrola, expondo o substrato escuro que absorve a luz do sol, fazendo com que as coisas aqueçam. Uma vez que as temperaturas sobem, no entanto, a folha se desenrola, cobrindo isso.

Agora, em vez de uma superfície absorvente, ela se torna refletora, evitando que aqueça a área. Qualquer calor na área coberta por este sistema pode irradiar, no entanto, pois a superfície refletora emite no infravermelho. Os pesquisadores, criativamente, chamam esses dois estados de modos de aquecimento e resfriamento.

Cerca de 73% da luz solar recebida é absorvida quando está no modo de aquecimento. Por outro lado, mudar para o modo de resfriamento significa que apenas 35% da luz solar recebida é absorvida e as emissões no infravermelho médio aumentam em 67%.

Embora a folha refletiva seja fina e pareça frágil, os pesquisadores a testaram por mais de 500 ciclos de enrolar/desenrolar e ela sobreviveu sem problemas aparentes. O único problema que a equipe notou foi que a camada reflexiva não fazia contato sólido com a não reflexiva quando era desenrolada, o que limitava a quantidade de calor que poderia ser transferida entre as duas. Como a camada refletiva é responsável por irradiar esse calor, isso limitou a eficiência geral do sistema.

Outra limitação óbvia é que este material precisa de uma quantidade razoável de espaço para trabalhar, pois a superfície refletora se enrola em um tubo. Então, isso precisaria ser gerenciado antes que isso fosse incorporado em algo como um material de construção.

Ainda assim, como uma primeira passagem em um único material que se ajusta ao aquecimento e resfriamento, o conceito parece ótimo, sendo possível que alguns detalhes de implementação possam ser resolvidos em iterações futuras.

Via ars Technica

Imagem destacada: Reprodução

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