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  • O sistema fornece resfriamento sem eletricidade

    Na foto à esquerda, um disco do novo material isolante bloqueia e reflete a luz visível, escondendo o logotipo do MIT abaixo dele. Mas visto em luz infravermelha, à direita, o material é transparente e o logotipo é visível. Crédito:Arny Leroy, Evelyn Wang, et. al

    Imagine um dispositivo que pode ficar do lado de fora sob a luz do sol forte em um dia claro, e sem usar energia, resfria as coisas em mais de 13 graus Celsius (23 graus Fahrenheit). Quase parece mágica, mas um novo sistema projetado por pesquisadores do MIT e do Chile pode fazer exatamente isso.

    O dispositivo, que não tem partes móveis, funciona por um processo chamado resfriamento radiativo. Ele bloqueia a luz solar que entra para evitar o aquecimento, e ao mesmo tempo irradia de forma eficiente luz infravermelha - que é essencialmente calor - que passa direto para o céu e para o espaço, resfriar o dispositivo significativamente abaixo da temperatura do ar ambiente.

    A chave para o funcionamento deste simples, sistema barato é um tipo especial de isolamento, feito de uma espuma de polietileno chamada aerogel. Este material leve, que se parece e se sente um pouco com marshmallow, bloqueia e reflete os raios visíveis da luz do sol para que eles não penetrem através dele. Mas é altamente transparente aos raios infravermelhos que transportam calor, permitindo que eles passem livremente para fora.

    O novo sistema é descrito hoje em um artigo na revista Avanços da Ciência , pelo estudante de pós-graduação do MIT Arny Leroy, professora de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang, e outros sete no MIT e na Pontifícia Universidade Católica do Chile.

    Esse sistema poderia ser usado, por exemplo, como uma forma de evitar que vegetais e frutas se estraguem, potencialmente dobrando o tempo que o produto poderia permanecer fresco, em lugares remotos onde energia confiável para refrigeração não está disponível, Leroy explica.

    Minimizando o ganho de calor

    O resfriamento radiativo é simplesmente o processo principal que a maioria dos objetos quentes usa para resfriar. Eles emitem radiação infravermelha de médio porte, que transporta a energia térmica do objeto diretamente para o espaço porque o ar é altamente transparente à luz infravermelha.

    O novo dispositivo é baseado em um conceito que Wang e outros demonstraram há um ano, que também usava resfriamento radiativo, mas empregava uma barreira física, uma estreita faixa de metal, para proteger o dispositivo da luz solar direta para evitar que aqueça. Esse dispositivo funcionou, mas forneceu menos da metade da quantidade de energia de resfriamento que o novo sistema alcança por causa de sua camada isolante altamente eficiente.

    "O grande problema era o isolamento, "Leroy explica. A maior entrada de calor que impedia o dispositivo anterior de atingir um resfriamento mais profundo era o calor do ar ao redor." Como você mantém a superfície fria enquanto ainda permite que ela irradie? ", Ele se perguntou. O problema é que quase todos os materiais isolantes também são muito bons para bloquear a luz infravermelha e, portanto, interfeririam no efeito de resfriamento radiativo.

    Tem havido muitas pesquisas sobre maneiras de minimizar a perda de calor, disse Wang, quem é o Professor Gail E. Kendall de Engenharia Mecânica. Mas este é um problema diferente que tem recebido muito menos atenção:como minimizar o ganho de calor. "É um problema muito difícil, " ela diz.

    Em testes de campo, o desempenho do dispositivo de resfriamento radiativo foi medido sob plena luz do sol, com o material isolante colocado (à esquerda) e sem ele (à direita). Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    A solução veio com o desenvolvimento de um novo tipo de aerogel. Os aerogéis são materiais leves que consistem principalmente de ar e fornecem um isolamento térmico muito bom, com uma estrutura feita de formações microscópicas em forma de espuma de algum material. O novo insight da equipe foi fazer um aerogel de polietileno, o material usado em muitas sacolas plásticas. O resultado é um soft, mole, material branco que é tão leve que um determinado volume pesa apenas 1/50 do peso da água.

    A chave do seu sucesso é que, embora bloqueie mais de 90 por cento da luz solar que entra, protegendo assim a superfície abaixo do aquecimento, é muito transparente à luz infravermelha, permitindo que cerca de 80% dos raios de calor passem livremente para fora. “Ficamos muito entusiasmados quando vimos este material, "Leroy diz.

    O resultado é que ele pode resfriar drasticamente um prato, feito de um material como metal ou cerâmica, colocado abaixo da camada isolante, que é referido como um emissor. Essa placa poderia então resfriar um recipiente conectado a ela, ou líquido frio passando pelas bobinas em contato com ele, para fornecer refrigeração para produtos ou ar ou água.

    Colocando o dispositivo à prova

    Para testar suas previsões de eficácia, a equipe e seus colaboradores chilenos montaram um dispositivo de prova de conceito no deserto do Atacama, no Chile, partes das quais são as terras mais secas da Terra. Eles não recebem praticamente nenhuma chuva, ainda, estando bem no equador, eles recebem uma luz solar intensa que pode colocar o dispositivo em um verdadeiro teste. O dispositivo atingiu um resfriamento de 13 graus Celsius sob plena luz do sol ao meio-dia solar. Testes semelhantes no campus do MIT em Cambridge, Massachusetts, alcançado pouco menos de 10 graus de resfriamento.

    Isso é resfriamento suficiente para fazer uma diferença significativa na preservação de produtos em locais remotos, dizem os pesquisadores. Além disso, poderia ser usado para fornecer um estágio inicial de resfriamento para refrigeração elétrica, minimizando assim a carga nesses sistemas para permitir que operem com mais eficiência com menos energia.

    Teoricamente, tal dispositivo poderia atingir uma redução de temperatura de até 50 C, os pesquisadores dizem, por isso, eles continuam a trabalhar em maneiras de otimizar ainda mais o sistema para que ele possa ser expandido para outras aplicações de refrigeração, como ar condicionado de edifícios sem a necessidade de qualquer fonte de energia. O resfriamento radiativo já foi integrado a alguns sistemas de ar condicionado existentes para melhorar sua eficiência.

    Já, no entanto, eles alcançaram uma quantidade maior de resfriamento sob a luz solar direta do que qualquer outro passivo, sistema radiativo diferente daqueles que usam um sistema de vácuo para isolamento - que é muito eficaz, mas também pesado, caro, e frágil.

    Esta abordagem também pode ser um complemento de baixo custo para qualquer outro tipo de sistema de refrigeração, fornecer resfriamento adicional para complementar um sistema mais convencional. "Qualquer sistema que você tenha, "Leroy diz, "coloque o aerogel nele, e você terá um desempenho muito melhor. "

    Peter Bermel, professor associado de engenharia elétrica e da computação na Purdue University, que não estava envolvido neste trabalho, diz, "O principal benefício potencial do aerogel de polietileno apresentado aqui pode ser sua relativa compactação e simplicidade, em comparação com uma série de experimentos anteriores. "

    Ele adiciona, "Pode ser útil comparar quantitativamente e contrastar este método com algumas alternativas, tais como filmes de polietileno e bloqueio de ângulo seletivo em termos de desempenho (por exemplo, mudança de temperatura), custo, e peso por unidade de área. ... O benefício prático poderia ser significativo se a comparação fosse realizada e a relação custo / benefício favorecesse significativamente esses aerogéis. "


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