Tecnologia Científica

Obtendo mais calor da luz solar
O material desenvolvido no MIT pode capturar passivamente o calor solar para aquecimento domanãstico ou aplicações industriais.
Por David L. Chandler | MIT News Office - 10/07/2019

Foto cedida pelos pesquisadores

Um material recanãm-desenvolvido que étão perfeitamente transparente que vocêmal consegue vaª-lo, pode desbloquear muitos novos usos para o calor solar. Ele gera temperaturas muito mais altas do que os coletores solares convencionais - o suficiente para ser usado para aquecimento domanãstico ou para processos industriais que exigem calor de mais de 200 graus Celsius (392 graus Fahrenheit).

A chave para o processo éum novo tipo de aerogel, um material leve que consiste principalmente de ar, com uma estrutura feita de sa­lica (que também éusada para fazer vidro). O material permite que a luz do sol passe facilmente, mas impede que o calor solar escape. As descobertas são descritas na revista ACS Nano , em um artigo de Lin Zhao, um estudante de pós-graduação do MIT; Evelyn Wang, professora e chefe do Departamento de Engenharia Meca¢nica; Gang Chen, o professor Carl Richard Soderberg em Engenharia de Energia; e cinco outros.

A chave para a coleta eficiente de calor solar, explica Wang, époder manter algo quente internamente, permanecendo frio por fora. Uma maneira de fazer isso éusar um va¡cuo entre uma camada de vidro e um material escuro de absorção de calor, que éo manãtodo usado em muitos coletores solares de concentração, mas érelativamente caro de instalar e manter. Tem havido grande interesse em encontrar um sistema passivo, menos caro, para a coleta de calor solar nos na­veis mais altos de temperatura necessa¡rios para aquecimento de ambientes, processamento de alimentos ou muitos processos industriais.

Os aeroganãis, uma espanãcie de material semelhante a espuma feito departículas de sa­lica, foram desenvolvidos durante anos como materiais isolantes altamente eficientes e leves, mas eles geralmente tem uma transparaªncia limitada a  luz visível, com cerca de 70% donívelde transmissão. Wang diz que desenvolver uma forma de fazer aeroganãis suficientemente transparentes para trabalhar na coleta de calor solar foi um processo longo e difa­cil envolvendo vários pesquisadores por cerca de quatro anos. Mas o resultado éum aerogel que deixa passar mais de 95% da luz solar entrando, mantendo suas propriedades altamente isolantes.

A chave para fazaª-lo funcionar foi nas proporções exatas dos diferentes materiais usados ​​para criar o aerogel, que são feitos misturando um catalisador com gra£os de um composto contendo sa­lica em uma solução la­quida, formando um tipo de gel e, em seguida, secando para obter todo o la­quido, deixando uma matriz que éprincipalmente ar, mas mantanãm a força da mistura original. Produzindo uma mistura que seca muito mais rápido do que os aeroganãis convencionais, eles descobriram, produziram um gel com Espaços de poros menores entre seus gra£os, e que, portanto, espalharam muito menos a luz.

Em testes em um telhado no campus do MIT, um dispositivo passivo consistindo de um material escuro absorvedor de calor coberto com uma camada do novo aerogel foi capaz de alcana§ar e manter uma temperatura de 220ºC, no meio de um inverno de Cambridge, quando o o ar exterior estava abaixo de 0 C.

Essas altas temperaturas anteriormente são eram prática s usando sistemas de concentração, com espelhos para concentrar a luz do sol em uma linha ou ponto central, mas esse sistema não exige concentração, tornando-o mais simples e menos dispendioso. Isso poderia torna¡-lo útil para uma ampla variedade de aplicativos que exigem na­veis mais altos de calor.

Por exemplo, coletores planos simples de teto são frequentemente usados ​​para águaquente doméstica, produzindo temperaturas de cerca de 80 ° C. Mas as altas temperaturas permitidas pelo sistema de aerogel podem tornar tais sistemas simples utiliza¡veis ​​também para aquecimento domanãstico e atémesmo para alimentar um ar condicionado sistema. Versaµes em larga escala podem ser usadas para fornecer calor para uma ampla variedade de aplicações em processos qua­micos, de produção de alimentos e de manufatura.

Zhao descreve a função ba¡sica da camada de aerogel como “como um efeito estufa”. O material que usamos para aumentar a temperatura age como a atmosfera da Terra faz para fornecer isolamento, mas esse éum exemplo extremo disso".

Para a maioria dos propósitos, o sistema de coleta de calor passivo seria conectado a canos contendo um la­quido que poderia circular para transferir o calor para onde fosse necessa¡rio. Alternativamente, sugere Wang, para alguns usos, o sistema pode ser conectado a tubos de calor, dispositivos que podem transferir calor a uma distância sem precisar de bombas ou de pea§as ma³veis.

Como o princa­pio éessencialmente o mesmo, um coletor de calor solar baseado em aerogel poderia substituir diretamente os coletores a  base de va¡cuo usados ​​em algumas aplicações existentes, oferecendo uma opção de baixo custo. Os materiais usados ​​para fazer o aerogel são abundantes e baratos; a única parte cara do processo éa secagem, que requer um dispositivo especializado chamado secador de ponto crítico para permitir um processo de secagem muito preciso que extrai os solventes do gel enquanto preserva sua estrutura em nanoescala.

Como esse éum processo em lote e não conta­nuo que poderia ser usado na fabricação de rolo para rolo, ele poderia limitar a taxa de produção se o sistema fosse dimensionado para na­veis de produção industrial. "A chave para o scaleup écomo podemos reduzir o custo desse processo", diz Wang. Mas mesmo agora, uma análise econa´mica preliminar mostra que o sistema pode ser economicamente via¡vel para alguns usos, especialmente em comparação com sistemas baseados em va¡cuo.

A equipe de pesquisa incluiu o pesquisador Bikram Bhatia, o pa³s-doutorado Sungwoo Yang, a estudante Elise Strobach, o instrutor Lee Weinstein e o pa³s-doutorado Thomas Cooper. O trabalho foi financiado principalmente pelo programa ARPA-E do Departamento de Energia dos EUA.

 

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