Investigadores espanhóis desenvolveram um novo nanomaterial capaz de reduzir a temperatura de superfícies expostas ao sol até 12,9 graus Celsius sem recorrer a eletricidade, numa tecnologia que poderá vir a diminuir a dependência do ar condicionado em edifícios, veículos e dispositivos eletrónicos. O sistema utiliza uma propriedade da atmosfera terrestre para libertar calor diretamente para o espaço e poderá representar uma alternativa de baixo consumo energético para enfrentar a crescente necessidade de refrigeração.
A investigação foi realizada por uma equipa do Instituto de Micro e Nanotecnologia (IMN-CNM) do CSIC, em Espanha, através do grupo Functional Nanoscale Devices for Energy (FINDER), e os resultados foram publicados na revista científica Nanophotonics. O trabalho centra-se numa técnica conhecida como arrefecimento radiativo passivo durante o dia, que permite baixar a temperatura de uma superfície mesmo quando esta está exposta à radiação solar.
A tecnologia ganha particular relevância num contexto de aumento da procura de energia para refrigeração. Segundo os investigadores, o arrefecimento representa atualmente quase 20% do consumo mundial de eletricidade, pelo que soluções capazes de reduzir a utilização de aparelhos de ar condicionado poderão ter impacto tanto nos custos energéticos como nas emissões associadas à produção de eletricidade.
Como é possível arrefecer uma superfície sem eletricidade
O princípio utilizado pelos investigadores baseia-se numa característica específica da atmosfera terrestre. Existe uma faixa do espectro infravermelho, entre 8 e 13 micrómetros, através da qual o calor pode escapar diretamente para o espaço sem ficar retido pela atmosfera.
A técnica aproveita precisamente essa chamada “janela atmosférica”. Um material que consiga emitir eficazmente radiação térmica dentro dessa faixa e, ao mesmo tempo, refletir uma grande parte da radiação solar, pode libertar mais energia sob a forma de calor do que aquela que absorve.
O resultado é uma superfície que pode atingir uma temperatura inferior à do ar que a rodeia, sem necessidade de compressor, sistema de refrigeração convencional ou ligação à rede elétrica.
É esta combinação entre reflexão da luz solar e emissão de calor no infravermelho que está no centro da investigação desenvolvida pelo CSIC.
Um polímero transformado à escala nanométrica
Para desenvolver o material, os investigadores escolheram o fluoreto de polivinilideno (PVDF), um polímero já conhecido pelas suas propriedades de emissão de calor na região infravermelha.
Cristina Vicente, investigadora do IMN-CNM e responsável pelo projeto COOLed, explica que o PVDF reúne várias características importantes para este tipo de aplicação. O material, segundo a investigadora, “reúne uma combinação de propriedades” que o torna particularmente adequado.
Além de emitir calor de forma eficiente no infravermelho, o polímero apresenta resistência à radiação ultravioleta, repele a água e possui boa resistência às condições ambientais. A capacidade de repelir água pode ainda proporcionar um efeito de autolimpeza, uma característica relevante para materiais destinados a permanecer no exterior durante longos períodos.
Contudo, a principal inovação não está apenas na escolha do polímero. O avanço conseguido pela equipa resulta sobretudo da forma como o material foi estruturado.
Os investigadores infiltraram o PVDF em estruturas nanoporosas de óxido de alumínio anodizado, criando estruturas tridimensionais cuja geometria interna pode ser controlada com elevada precisão.
Essa característica é fundamental porque o desempenho ótico do material depende da forma como a sua estrutura é organizada à escala nanométrica. Pequenas alterações na geometria podem influenciar a capacidade de refletir a radiação solar e de emitir calor através da janela infravermelha da atmosfera.
Material reflete mais de 82% da radiação solar
A versão otimizada do nanomaterial apresentou resultados particularmente expressivos nos testes laboratoriais.
Depois de o polímero ser infiltrado na estrutura nanoporosa e submetido a um processo de arrefecimento ultrarrápido, o material passou a refletir, em média, 82,4% da radiação solar.
Ao mesmo tempo, conseguiu emitir 96,7% do calor na faixa infravermelha entre 8 e 13 micrómetros, precisamente a região do espectro através da qual a energia térmica pode escapar para o espaço.
A combinação destas duas propriedades traduz-se numa capacidade teórica de arrefecimento de 182,3 watts por metro quadrado, considerando uma irradiância solar de 1000 watts por metro quadrado.
Mas os investigadores não ficaram apenas pelos cálculos. O desempenho do material foi também avaliado em condições reais.
Testes em Madrid registaram uma diferença de 12,9 graus
A equipa levou o nanomaterial para o exterior e realizou testes no verão passado, no telhado das instalações do centro de investigação em Tres Cantos, Madrid.
Antes dos ensaios, o material foi submetido a um tratamento com luz ultravioleta que lhe conferiu uma aparência mais branca e aumentou a sua capacidade de refletir a radiação solar.
Nos dias mais quentes, secos e soalheiros, a superfície tratada conseguiu permanecer até 12,9 graus Celsius mais fria do que uma amostra semelhante sem o revestimento.
Os testes foram realizados com uma irradiância solar máxima de 962 watts por metro quadrado, um valor próximo daquele utilizado nas estimativas teóricas, permitindo aos investigadores verificar no terreno o potencial de arrefecimento calculado para o material.
A diferença de temperatura registada demonstra que o efeito não depende apenas de condições laboratoriais controladas e pode ocorrer numa superfície diretamente exposta à radiação solar.
Tecnologia pode reduzir a utilização de ar condicionado
Apesar dos resultados, os investigadores salientam que a tecnologia ainda está em fase de desenvolvimento e não constitui, nesta etapa, uma solução pronta para substituir os sistemas convencionais de refrigeração.
Ainda assim, existe um fator que poderá facilitar a sua futura aplicação: segundo a equipa, o processo de fabrico é relativamente barato e compatível com processos industriais já existentes.
Essa possibilidade abre caminho a várias utilizações. Entre as aplicações apontadas estão telhados e fachadas de edifícios, que poderiam permanecer mais frescos durante períodos de forte exposição solar, reduzindo a quantidade de energia necessária para manter os interiores a uma temperatura confortável.
O mesmo princípio poderá ser aplicado a veículos, onde a redução da temperatura das superfícies expostas ao sol poderia diminuir a necessidade de utilização do ar condicionado, bem como a dispositivos eletrónicos, cuja temperatura influencia o funcionamento e a durabilidade.
A tecnologia poderá ainda ser explorada em sistemas de refrigeração pessoal, com o objetivo de proporcionar arrefecimento localizado sem recorrer ao consumo elétrico associado aos equipamentos convencionais.
Uma alternativa para enfrentar o aumento da procura de refrigeração
O interesse neste tipo de tecnologia está diretamente relacionado com a necessidade crescente de arrefecer edifícios, veículos e equipamentos à medida que aumentam as temperaturas e os períodos de calor extremo.
Ao contrário dos aparelhos de ar condicionado tradicionais, que retiram calor de um espaço através de um sistema mecânico e necessitam de eletricidade para funcionar, o arrefecimento radiativo passivo utiliza as propriedades óticas do próprio material e a capacidade da atmosfera para deixar escapar determinada radiação térmica para o espaço.
No caso do nanomaterial desenvolvido pelo CSIC, o objetivo passa por combinar elevada reflexão solar, forte emissão infravermelha e resistência às condições exteriores num material que possa ser produzido através de processos industriais viáveis.
Os resultados obtidos em Madrid, com uma redução máxima de 12,9 graus Celsius face a uma superfície sem revestimento, dão aos investigadores uma indicação concreta do potencial da abordagem.
A tecnologia continua, contudo, a exigir desenvolvimento antes de poder ser aplicada em larga escala. Se essa fase for ultrapassada, materiais deste tipo poderão permitir manter superfícies significativamente mais frias sem aumentar diretamente o consumo de eletricidade, oferecendo uma nova ferramenta para reduzir a dependência da refrigeração convencional.
