Engenheiros desenvolveram um metamaterial de fabricação escalável — um material de engenharia com propriedades extraordinárias não encontradas na natureza – para atuar como uma espécie de sistema de ar condicionado para estruturas. Ele tem a capacidade de refrigerar objetos mesmo sob a luz direta do sol com consumo zero de energia e água.
Quando aplicado a uma superfície, o filme de metamaterial esfria o objeto por baixo, refletindo eficientemente a energia solar recebida de volta ao espaço e, ao mesmo tempo, permitindo que a superfície derrame seu próprio calor sob a forma de radiação térmica infravermelha.
O novo material, que foi descrito na revista Science, poderia fornecer um meio de resfriamento suplementar ecologicamente correto para usinas termelétricas, que atualmente requerem grandes quantidades de água e eletricidade para manter as temperaturas de funcionamento de suas máquinas.
O material híbrido de vidro-polímero dos pesquisadores mede apenas 50 micrômetros de espessura — ligeiramente mais grosso que a folha de alumínio encontrada em uma cozinha — e pode ser fabricado economicamente em rolos, tornando-o uma tecnologia potencialmente viável em larga escala, tanto para aplicações residenciais quanto comerciais.
“Sentimos que este processo de fabricação de baixo custo será transformador para aplicações do mundo real desta tecnologia de resfriamento radiativo”, disse Xiaobo Yin, co-diretor da pesquisa e professor assistente.
O material aproveita o resfriamento radiativo passivo, o processo pelo qual objetos derramam calor naturalmente sob a forma de radiação infravermelha, sem consumir energia. A radiação térmica proporciona algum resfriamento natural noturno e é utilizada para resfriamento residencial em algumas áreas, mas o resfriamento diurno tem sido historicamente mais um desafio. Para uma estrutura exposta à luz solar, mesmo uma pequena quantidade de energia solar diretamente absorvida é suficiente para negar a radiação passiva.
O desafio para os pesquisadores era criar um material que pudesse fornecer um duplo golpe: refletir quaisquer raios solares de volta à atmosfera enquanto ainda fornece um meio de fuga para a radiação infravermelha. Para resolver isto, os pesquisadores incorporaram microesferas de vidro visivelmente dispersas, mas radiantes por infravermelho, em uma película de polímero. Em seguida, eles adicionaram uma fina camada de prata por baixo, a fim de obter a máxima reflexão espectral.
“Tanto a formação do metamaterial de polímero de vidro quanto o revestimento de prata são fabricados em escala em processos roll-to-roll”, acrescentou Ronggui Yang, também professor de engenharia mecânica e Fellow da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.
“Apenas 10 a 20 metros quadrados deste material no telhado poderiam refrigerar bem uma casa unifamiliar no verão”, disse Gang Tan, professor associado do Departamento de Engenharia Civil e Arquitetônica da Universidade de Wyoming e co-autor do trabalho.
Além de ser útil para o resfriamento de edifícios e usinas elétricas, o material também poderia ajudar a melhorar a eficiência e a vida útil dos painéis solares. Sob a luz solar direta, os painéis podem superaquecer a temperaturas que dificultam sua capacidade de converter os raios solares em eletricidade.
“Apenas aplicando este material na superfície de um painel solar, podemos resfriar o painel e recuperar um a dois por cento adicionais da eficiência solar”, disse Yin. “Isso faz uma grande diferença em escala”.
Os engenheiros solicitaram uma patente para a tecnologia e estão trabalhando para explorar potenciais aplicações comerciais.
A invenção é o resultado de um subsídio de US$ 3 milhões concedido em 2015 à Yang, Yin e Tang pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia (ARPA-E).
“A principal vantagem desta tecnologia é que ela funciona 24 horas por dia, 7 dias por semana sem uso de eletricidade ou água”, disse Yang “Estamos entusiasmados com a oportunidade de explorar usos potenciais na indústria elétrica, aeroespacial, agrícola e muito mais”.
