Com o aumento das temperaturas e as ondas de calor perturbando vidas em todo o mundo, as soluções de refrigeração estão se tornando cada vez mais essenciais. Esta é uma questão crítica, especialmente nos países em desenvolvimento, onde o calor do verão pode ser extremo e deve se intensificar. Mas métodos comuns de resfriamento, como condicionadores de ar, são caros, consomem quantidades significativas de energia, requerem pronto acesso à eletricidade, e muitas vezes requerem refrigerantes que destroem o ozônio ou têm um forte efeito estufa.

Uma alternativa a esses métodos de resfriamento com uso intensivo de energia é o resfriamento radiativo diurno passivo (PDRC), um fenômeno em que uma superfície esfria espontaneamente refletindo a luz do sol e irradiando calor para a atmosfera mais fria. O PDRC é mais eficaz se uma superfície tiver uma alta refletância solar (R) que minimiza o ganho de calor solar, e um alto, emitância térmica (ε) que maximiza a perda de calor por radiação para o céu. Se R e ε forem suficientemente altos, uma perda líquida de calor pode ocorrer, mesmo sob a luz do sol.

O desenvolvimento de projetos práticos de PDRC tem sido um desafio:muitas propostas de projetos recentes são complexas ou caras, e não pode ser amplamente implementado ou aplicado em telhados e edifícios, que possuem diferentes formas e texturas. Até agora, tintas brancas, que são baratos e fáceis de aplicar, têm sido a referência para PDRC. Tintas brancas, Contudo, geralmente têm pigmentos que absorvem luz ultravioleta, e não refletem muito bem comprimentos de onda solares mais longos, portanto, seu desempenho é apenas modesto, na melhor das hipóteses.

Pesquisadores da Columbia Engineering inventaram um revestimento externo de polímero PDRC de alto desempenho com espaços vazios de nano a microescala que atua como um resfriador de ar espontâneo e pode ser fabricado, tingido, e aplicada como tinta em telhados, edifícios, tanques de água, veículos, até naves espaciais - qualquer coisa que possa ser pintada. Eles usaram uma técnica de inversão de fase baseada em solução que dá ao polímero uma estrutura de espuma porosa. Os vazios de ar no polímero poroso se espalham e refletem a luz solar, devido à diferença no índice de refração entre os vazios de ar e o polímero circundante. O polímero fica branco e, portanto, evita o aquecimento solar, enquanto sua emitância intrínseca faz com que ele perca calor para o céu com eficiência. O estudo foi publicado online hoje em Ciência .

A equipe - Yuan Yang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais; Nanfang Yu, professor associado de física aplicada; e Jyotirmoy Mandal, autor principal do estudo e um aluno de doutorado no grupo de Yang (todo o departamento de física aplicada e matemática aplicada) - construído sobre trabalhos anteriores que demonstraram que plásticos e polímeros simples, incluindo acrílico, silicone, e PET, são excelentes radiadores de calor e podem ser usados ​​para PDRC. Os desafios eram como fazer com que esses polímeros normalmente transparentes refletissem a luz do sol sem usar espelhos de prata como refletores e como torná-los facilmente implantáveis.

Eles decidiram usar a inversão de fase porque é um método simples, método baseado em solução para fazer vazios no ar por dispersão de luz em polímeros. Polímeros e solventes já são usados ​​em tintas, e o método Columbia Engineering essencialmente substitui os pigmentos da tinta branca por vazios de ar que refletem todos os comprimentos de onda da luz solar, de UV a infravermelho.

"Esta modificação simples, mas fundamental, produz R e ε excepcionais que igualam ou superam os designs de PDRC de última geração, mas com uma conveniência que é quase como uma pintura, "diz Mandal.

Os pesquisadores descobriram a alta refletância solar de seu revestimento de polímero (R> 96%) e a alta emitância térmica (ε ~ ​​97%) o mantiveram significativamente mais frio do que seu ambiente sob céus amplamente diferentes, por exemplo. por 6 C no calor, deserto árido no Arizona e 3 ° C no nevoeiro, ambiente tropical de Bangladesh. "O fato de que o resfriamento é obtido tanto em climas desérticos quanto tropicais, sem qualquer proteção térmica ou blindagem, demonstra a utilidade do nosso projeto sempre que o resfriamento é necessário, "Notas de Yang.

A equipe também criou revestimentos de polímero coloridos com capacidade de resfriamento adicionando corantes. "Alcançar um equilíbrio superior entre cor e desempenho de resfriamento em relação às tintas atuais é um dos aspectos mais importantes do nosso trabalho, "Notas de Yu." Para revestimentos externos, a escolha da cor costuma ser subjetiva, e os fabricantes de tintas têm tentado fazer revestimentos coloridos, como aqueles para telhados, por décadas."

O grupo abordou questões ambientais e operacionais, como reciclabilidade, biocompatibilidade, e operabilidade em alta temperatura, em consideração, e mostraram que sua técnica pode ser generalizada a uma gama de polímeros para atingir essas funcionalidades. "Os polímeros são uma classe de materiais incrivelmente diversa, e como essa técnica é genérica, propriedades adicionais desejáveis ​​podem ser convenientemente integradas em nossos revestimentos PDRC, se polímeros adequados estiverem disponíveis, "Mandal acrescenta.

"A natureza oferece muitas maneiras de aquecimento e resfriamento, alguns dos quais são extremamente conhecidos e amplamente estudados e outros que são pouco conhecidos. O resfriamento radiativo - usando o céu como dissipador de calor - pertence ao último grupo, e seu potencial foi estranhamente esquecido pelos cientistas de materiais até alguns anos atrás, "diz o professor de física da Universidade de Uppsala Claes-Göran Granqvist, uma pioneira no campo de resfriamento radiativo, que não estava envolvido com o estudo. "A publicação de Mandal et al. Destaca a importância do resfriamento radiativo e representa um avanço importante ao demonstrar que os revestimentos de polímero hierarquicamente porosos, que pode ser preparado de forma barata e conveniente, proporcionam excelente resfriamento, mesmo em plena luz do sol. "

Yang, Yu, e Mandal estão refinando seu design em termos de aplicabilidade, enquanto explora possibilidades como o uso de polímeros e solventes completamente biocompatíveis. Eles estão em negociações com a indústria sobre os próximos passos.

"Agora é um momento crítico para desenvolver soluções promissoras para a humanidade sustentável, "Notas de Yang, "Este ano, testemunhamos ondas de calor e temperaturas recordes na América do Norte, Europa, Ásia, e Austrália. É essencial que encontremos soluções para este desafio climático, e estamos muito entusiasmados por trabalhar nesta nova tecnologia que trata disso. "

Yu acrescenta que costumava pensar que o branco era a cor mais inatingível:"Quando estudei pintura em aquarela anos atrás, as tintas brancas eram as mais caras. Branco de Cremnitz ou branco de chumbo foi a escolha dos grandes mestres, incluindo Rembrandt e Lucian Freud. Agora demonstramos que o branco é de fato a cor mais viável. Ele pode ser feito usando nada mais do que espaços vazios de ar de tamanho adequado embutidos em um meio transparente. Os vazios de ar são o que tornam a neve branca e as formigas prateadas do Saara, prateadas. "

O estudo é intitulado "Revestimentos de polímero Hierarquicamente Poroso para Resfriamento Radiativo Diurno Passivo Altamente Eficiente".