Tecnologia Científica

Combater a mudança climática com pavimentos frios
Pesquisadores afiliados ao MIT Concrete Sustainability Hub descobrem que a seleção do material de pavimentação pode mitigar o calor extremo e as emissões de gases de efeito estufa.
Por Andrew Logan - 25/08/2021


Ao selecionar materiais de pavimentação ideais, pode ser possível reduzir as emissões em Boston em até 3 por cento ao longo de 50 anos. Créditos:Foto: AdobeStock

Os pavimentos são uma superfície urbana abundante, cobrindo cerca de 40 por cento das cidades americanas. Mas, além de transportar tráfego, também podem emitir calor.

Devido ao chamado efeito de ilha de calor urbana, superfícies densamente construídas e impermeáveis, como pavimentos, podem absorver a radiação solar e aquecer seus arredores, reemitindo essa radiação na forma de calor. Este fenômeno representa uma séria ameaça para as cidades. Ele aumenta a temperatura do ar em até 7 graus Fahrenheit e contribui para os riscos à saúde e ao meio ambiente - riscos que as mudanças climáticas irão aumentar.

Em resposta, os pesquisadores do Centro de Sustentabilidade de Concreto do MIT (MIT CSHub) estão estudando como uma superfície que normalmente aumenta as ilhas de calor urbanas pode, em vez disso, diminuir sua intensidade. Sua pesquisa se concentra em “pavimentos frios”, que refletem mais radiação solar e emitem menos calor do que as superfícies de pavimentação convencionais.

Um estudo recente realizado por uma equipe de pesquisadores atuais e ex-MIT CSHub na revista Environmental Science and Technology descreve pavimentos frios e sua implementação. O estudo descobriu que eles poderiam reduzir as temperaturas do ar em Boston e Phoenix em até 1,7 graus Celsius (3 F) e 2,1 C (3,7 F), respectivamente. Eles também reduziriam as emissões de gases de efeito estufa, cortando as emissões totais em até 3% em Boston e 6% em Phoenix. Alcançar essas economias, no entanto, requer que estratégias de pavimentação fria sejam selecionadas de acordo com o clima, o tráfego e as configurações de construção de cada bairro.

Cidades como Los Angeles e Phoenix já realizaram experimentos consideráveis ​​com pavimentos frios, mas a tecnologia ainda não foi amplamente implementada. A equipe do CSHub espera que sua pesquisa possa orientar futuros projetos de pavimentação fria para ajudar as cidades a lidar com as mudanças climáticas.

Arranhando a superfície

É bem sabido que as superfícies mais escuras ficam mais quentes à luz do sol do que as mais claras. Cientistas do clima usam uma métrica chamada “albedo” para ajudar a descrever esse fenômeno.

“Albedo é uma medida da refletividade da superfície”, explica Hessam AzariJafari, o principal autor do artigo e pós-doutorado no MIT CSHub. “Superfícies com baixo albedo absorvem mais luz e tendem a ser mais escuras, enquanto superfícies com alto albedo são mais brilhantes e refletem mais luz.”

Albedo é fundamental para resfriar pavimentos. As superfícies de pavimentação típicas, como o asfalto convencional, possuem baixo albedo e absorvem mais radiação e emitem mais calor. Pavimentos frios, no entanto, têm materiais mais brilhantes que refletem mais de três vezes mais radiação e, conseqüentemente, reemitem muito menos calor.

“Podemos construir pavimentos frios de muitas maneiras diferentes”, diz Randolph Kirchain, pesquisador do Laboratório de Ciência de Materiais e codiretor do Centro de Sustentabilidade de Concreto. “Materiais mais brilhantes como concreto e agregados de cores mais claras oferecem maior albedo, enquanto os pavimentos de asfalto existentes podem ser tornados 'frios' por meio de revestimentos reflexivos.”

Os pesquisadores do CSHub consideraram essas várias opções em um estudo de Boston e Phoenix. A análise deles considerou resultados diferentes quando concreto, asfalto reflexivo e concreto reflexivo substituíram pavimentos de asfalto convencionais - que compõem mais de 95 por cento dos pavimentos em todo o mundo.

Consciência situacional

Para uma compreensão abrangente dos benefícios ambientais dos pavimentos frios em Boston e Phoenix, os pesquisadores tiveram que olhar além dos materiais de pavimentação. Isso porque, além de reduzir a temperatura do ar, os pavimentos frios exercem impactos diretos e indiretos sobre as mudanças climáticas.  

“O único impacto direto é o forçamento radiativo”, observa AzariJafari. “Ao refletir a radiação de volta para a atmosfera, os pavimentos frios exercem uma força radiativa, o que significa que eles mudam o equilíbrio de energia da Terra, enviando mais energia para fora da atmosfera - semelhante às calotas polares.”

Os pavimentos frios também exercem impactos indiretos e complexos na mudança do clima, alterando o uso de energia em edifícios adjacentes.

“Por um lado, ao reduzir as temperaturas, os pavimentos frios podem reduzir alguma necessidade de AC [ar condicionado] no verão, enquanto aumenta a demanda de aquecimento no inverno”, diz AzariJafari. “Por outro lado, ao refletir a luz - chamada de radiação incidente - em edifícios próximos, os pavimentos frios podem aquecer as estruturas, o que pode aumentar o uso de CA no verão e diminuir a demanda de aquecimento no inverno”.

Além do mais, os efeitos do albedo são apenas uma parte dos impactos do ciclo de vida geral de um pavimento frio. Na verdade, os impactos da construção e extração de materiais (referidos em conjunto como impactos incorporados) e o uso do pavimento dominam o ciclo de vida. O impacto da fase de uso principal de um pavimento - além dos efeitos de albedo - é o consumo excessivo de combustível: pavimentos com superfícies lisas e estruturas rígidas causam menos consumo de combustível excessivo nos veículos que circulam.

Avaliar os impactos das mudanças climáticas de pavimentos frios, então, é um processo intrincado - que envolve muitos trade-offs. Em seu estudo, os pesquisadores procuraram analisá-los e medi-los.

Uma reflexão completa

Para determinar a implementação ideal de pavimentos frios em Boston e Phoenix, os pesquisadores investigaram os impactos do ciclo de vida da mudança de pavimentos de asfalto convencionais para três opções de pavimentos frios: asfalto reflexivo, concreto e concreto reflexivo.

Para fazer isso, eles usaram simulações físicas acopladas para modelar edifícios em milhares de bairros hipotéticos. Usando esses dados, eles treinaram um modelo de rede neural para prever os impactos com base nas características do edifício e da vizinhança. Com essa ferramenta instalada, foi possível estimar o impacto de pavimentos frios para cada uma das milhares de estradas e centenas de milhares de edifícios em Boston e Phoenix.

Além dos efeitos de albedo, eles também analisaram os impactos incorporados para todos os tipos de pavimento e o efeito do tipo de pavimento no consumo de combustível em excesso do veículo devido às qualidades da superfície, rigidez e taxa de deterioração.

Depois de avaliar os impactos do ciclo de vida de cada tipo de pavimento frio, os pesquisadores calcularam qual material - asfalto convencional, asfalto reflexivo, concreto e concreto reflexivo - beneficiou mais cada bairro. Eles descobriram que, embora pavimentos frios fossem vantajosos em Boston e Phoenix em geral, os materiais ideais variavam muito dentro e entre as duas cidades.

“Um benefício universal entre o tipo de bairro e o material de pavimentação foi o impacto do forçamento radiativo”, observa AzariJafari. “Este foi particularmente o caso em áreas com edifícios mais curtos e menos densos, onde o efeito foi mais pronunciado.”

Ao contrário do forçamento radiativo, no entanto, as mudanças na demanda de energia do edifício diferem conforme a localização. Em Boston, os pavimentos frios reduziram a demanda de energia com a mesma frequência que aumentaram em todos os bairros. Em Phoenix, os pavimentos frios tiveram um impacto negativo na demanda de energia na maioria dos setores censitários devido à radiação incidente. Ao levar em consideração o forçamento radiativo, no entanto, os pavimentos frios acabaram tendo um benefício líquido.

Somente depois de considerar as emissões incorporadas e os impactos no consumo de combustível, o tipo de pavimento ideal se manifestou para cada bairro. Depois de levar em consideração a incerteza sobre o ciclo de vida, os pesquisadores descobriram que os pavimentos de concreto reflexivo tiveram os melhores resultados, provando ser ideais em 53% e 73% dos bairros de Boston e Phoenix, respectivamente.

Mais uma vez, incertezas e variações foram identificadas. Em Boston, a substituição dos pavimentos de asfalto convencionais por uma opção fria sempre foi preferida, enquanto em Phoenix os pavimentos de concreto - reflexivos ou não - tiveram melhores resultados devido à rigidez em altas temperaturas que minimizou o consumo de combustível do veículo. E apesar do predomínio do concreto em Phoenix, em 17 por cento de seus bairros todas as opções de pavimentação reflexiva se mostraram mais ou menos eficazes, enquanto em 1 por cento dos casos, os pavimentos convencionais eram realmente superiores.

“Embora os impactos das mudanças climáticas que estudamos tenham se mostrado numerosos e muitas vezes conflitantes, nossas conclusões são inequívocas: Pavimentos frios podem oferecer imensos benefícios de mitigação das mudanças climáticas para ambas as cidades”, diz Kirchain.

As melhorias nas temperaturas do ar seriam perceptíveis: a equipe descobriu que pavimentos frios reduziriam as temperaturas máximas do ar no verão em Boston em 1,7 C (3 F) e em Phoenix em 2,1 C (3,7 F). As reduções das emissões de dióxido de carbono também seriam impressionantes. Boston diminuiria suas emissões de dióxido de carbono em até 3% em 50 anos, enquanto as reduções em Phoenix atingiriam 6% no mesmo período.

Esta análise é um dos estudos mais abrangentes de pavimentos frios até hoje - mas há mais para investigar. Assim como acontece com os pavimentos, também é possível ajustar o albedo da edificação, o que pode resultar em alterações na demanda de energia da edificação. A descarbonização intensiva da rede e a introdução de misturas de concreto com baixo teor de carbono também podem alterar as emissões geradas por pavimentos frios.

Ainda há muito terreno a percorrer para a equipe CSHub. Mas, ao estudar pavimentos frios, eles criaram uma solução brilhante para as mudanças climáticas e abriram caminhos para pesquisas futuras e mitigação futura.

O Centro de Sustentabilidade de Concreto do MIT é uma equipe de pesquisadores de vários departamentos do MIT trabalhando em ciência, engenharia e economia de concreto e infraestrutura. Sua pesquisa é apoiada pela Portland Cement Association e a Ready Mixed Concrete Research and Education Foundation.

 

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