Os pesquisadores do MIT demonstraram uma nova maneira de armazenar o calor não utilizado dos motores dos automóveis, maquinaria industrial, e até luz do sol até que seja necessário. No centro de seu sistema está o que os pesquisadores chamam de material de "mudança de fase" que absorve uma grande quantidade de calor à medida que derrete e o libera à medida que se solidifica.

Uma vez derretido e ativado pela luz ultravioleta, o material armazena o calor absorvido até que um feixe de luz visível desencadeie a solidificação e a liberação de calor. A chave para esse controle são as moléculas adicionadas que respondem à luz mudando a forma de uma que impede a solidificação para outra que a permite. Em um experimento de prova de conceito, os pesquisadores mantiveram uma mistura de amostra na forma líquida até a temperatura ambiente - totalmente 10 graus Celsius abaixo de onde deveria ter se solidificado - e então, depois de 10 horas, usou um feixe de luz para desencadear a solidificação e liberar a energia térmica armazenada.

Mais da metade de toda a energia usada para fornecer energia mecânica, químico, e outros processos são expelidos para o meio ambiente como calor. Usinas de energia, motores de carro, e processos industriais, por exemplo, produzem grandes quantidades de calor, mas usam uma fração relativamente pequena para realmente fazer o trabalho. E embora a luz do sol forneça energia radiante abundante, os dispositivos fotovoltaicos de hoje convertem apenas uma fração dela em eletricidade. O resto é refletido ou absorvido e convertido em calor que não é utilizado.

O desafio é encontrar uma maneira de armazenar toda essa energia térmica até que queiramos usá-la. Jeffrey Grossman, o Morton e Claire Goulder e o Professor da Família em Sistemas Ambientais e professor de ciência e engenharia de materiais, vem trabalhando nesse problema há mais de uma década.

Uma boa maneira de armazenar energia térmica é usando um material de mudança de fase (PCM) como a cera. Aqueça um pedaço sólido de cera, e ele ficará gradualmente mais quente - até começar a derreter. À medida que faz a transição da fase sólida para a fase líquida, vai continuar a absorver calor, mas sua temperatura permanecerá essencialmente constante. Assim que estiver totalmente derretido, sua temperatura começará a subir novamente à medida que mais calor for adicionado. Em seguida, vem o benefício. Conforme a cera líquida esfria, vai solidificar, e como acontece, ele irá liberar todo o calor de mudança de fase armazenado - também chamado de calor latente.

PCMs agora são usados ​​em aplicações como concentradores solares, sistemas de aquecimento de edifícios, e fogões solares para regiões remotas. Mas, embora os PCMs possam emitir calor abundante, não há como controlar exatamente quando eles fazem isso. O tempo depende da temperatura do ar ao seu redor.

"Você pode carregar uma bateria, e vai armazenar a eletricidade até que você queira usá-la, dizer, no seu telefone celular ou carro elétrico, "diz Grossman." Mas as pessoas têm que aquecer seu fogão solar quando o sol sai, e na hora que eles querem fazer o jantar, pode muito bem ter liberado todo o calor armazenado para o ar frio da noite. "

Os PCMs provaram ser um meio de grande sucesso de armazenamento de energia térmica, mas recuperá-lo de uma forma útil continua sendo um desafio. "O que precisávamos era um gatilho que nos desse controle sobre o momento da liberação de calor, "diz Grossman.

Moléculas que podem desencadear

Alguns anos atrás, Grossman começou a se perguntar se já teria o gatilho de que precisava. Em trabalhos relacionados, seu grupo estava estudando o armazenamento de energia em moléculas especiais conhecidas como photoswitches.

Faça brilhar um determinado comprimento de onda de luz em um photoswitch, e sua forma mudará. Os mesmos átomos estão presentes, mas sua orientação em relação à outra muda. Além disso, eles ficarão nessa configuração alterada até serem expostos a outro comprimento de onda de luz. Em seguida, eles vão voltar à sua forma original, liberando energia térmica no processo.

O grupo de Grossman fez um bom progresso no design de photoswitches para armazenar energia, mas as moléculas têm uma limitação importante:elas só podem ser colocadas em sua configuração de armazenamento de energia pela luz. Como resultado, eles não podem ser carregados usando calor residual de carros ou outras máquinas ou da luz do sol.

Assim, Grossman e os ex-pós-docs Grace Han e Huashan Li, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, começaram a examinar a possibilidade de usar um photoswitch de uma nova maneira - como um gatilho para controlar a liberação de energia de um material de mudança de fase.

"Poderíamos adaptar sua química para que corresponda ao material de mudança de fase muito bem quando estiver em uma forma, mas quando trocamos, não combina mais, "explica Grossman.

Se misturado com um PCM derretido na forma incompatível, o photoswitch evitaria que se tornasse sólido - mesmo abaixo de sua temperatura normal de solidificação. O brilho de um comprimento de onda de luz diferente pode mudar o photoswitch de volta à sua estrutura correspondente. O PCM então se solidificaria, liberando seu calor latente armazenado.

Testes de prova de conceito

Para explorar a viabilidade dessa abordagem, os pesquisadores usaram um PCM convencional chamado ácido tridecanóico e prepararam uma variação especial da molécula fotomutadora azobenzeno, que consiste em dois anéis de átomos ligados que podem estar em posições diferentes um em relação ao outro.

Na forma "trans" da molécula, os anéis são planos - seu estado fundamental que ocorre naturalmente. Em sua forma "cis", um dos anéis de benzeno é inclinado em 56 graus em relação ao outro, dizem os pesquisadores. Ele muda de uma forma para outra em resposta à luz. Brilhe a luz ultravioleta (UV) na versão plana, e vai torcer. Brilhe a luz visível na versão torcida, e ele vai se nivelar.

A Figura 1 na apresentação de slides acima mostra o que Grossman chama de armazenamento de energia térmica e ciclo de liberação e ilustra o papel desempenhado pelo photoswitch de azobenzeno como um "dopante" de baixa concentração (um material adicionado para alterar as propriedades de uma substância). Quando a mistura de PCM-azobenzeno, ou composto, é sólido com o azobenzeno em sua forma trans, os dois componentes se agrupam fortemente. Quando aquecido, o composto absorve energia térmica, e o PCM derrete. Zapping-lo com luz ultravioleta muda o dopante azobenzeno de trans para cis. Quando essa mistura esfriar, o cis azobenzeno impede a solidificação do PCM, então o calor latente permanece armazenado. A iluminação com luz visível muda o azobenzeno de volta à sua forma trans. A mistura agora pode solidificar, liberando seu calor latente armazenado no processo.

Uma série de testes mostrou que seu sistema funcionou bem. Brilhar uma lâmpada ultravioleta (em um comprimento de onda de 365 nanômetros) na mistura líquida mudou a maioria das moléculas de azobenzeno trans iniciais para sua forma cis. Depois de carregado, a mistura não solidificou nem mesmo em temperatura ambiente - totalmente 10 Celsius abaixo do que aconteceria sem os interruptores fotográficos carregados na mistura.

Iluminar o líquido com luz visível (450 nm) por 30 segundos ativou a solidificação e a liberação do calor latente armazenado. Além disso, essencialmente, todo o calor latente saiu - pouco ou nada se perdeu por vazamento. "Com as opções adicionadas, a energia térmica está bloqueada, "diz Grossman." Como resultado, pode haver menos necessidade de isolamento pesado que é usado para evitar que o calor vaze dos PCMs convencionais. "

Quando os pesquisadores não brilharam a luz visível em sua mistura, eles descobriram que permaneceu um líquido em temperaturas abaixo de seu ponto de solidificação original por 10 horas. A mistura então começou gradualmente a solidificar, emitindo seu calor armazenado.

Para demonstrar a durabilidade e repetibilidade do sistema, os pesquisadores alternaram entre carregar e descarregar 100 vezes ao longo de mais de 50 horas. Durante a etapa de descarga inicial, a cristalinidade do PCM mudou ligeiramente em relação ao material de partida, mas depois disso, sua estrutura permaneceu inalterada.

Outros testes confirmaram a importância de selecionar ou projetar cuidadosamente um photoswitch que interaja efetivamente com um PCM específico. Novamente, o photoswitch deve se misturar bem com o PCM líquido para formar o composto e deve mudar, quando ativado pela luz, entre duas estruturas distintas que se misturam ou interferem no empacotamento do PCM selecionado. Os pesquisadores também descobriram que otimizar a concentração do photoswitch no PCM é fundamental. Quando está muito baixo, não vai interferir na solidificação. Quando está muito alto, a luz ultravioleta pode não penetrar na mistura completamente, e as moléculas de dopante podem reagir umas com as outras, aglomerando-se em vez de distribuir bem e evitando o empacotamento de PCM.

Noções básicas de um dispositivo prático

Grossman enfatiza que o trabalho até agora é uma prova de princípio. "Há muito trabalho a ser feito para fazer aplicativos baseados neste conceito, " ele diz.

Mas os pesquisadores imaginam o seguinte tipo de dispositivo:a mistura seria mantida em um recipiente com janelas que poderiam ser cobertas para controlar a entrada de luz. Um trocador de calor forneceria energia térmica do sol ou de outra fonte para o composto PCM, e um LED separado ou lâmpada de descarga de gás enviaria simultaneamente luz ultravioleta pelas janelas descobertas para carregar o dopante azobenzeno. As janelas seriam então cobertas para permitir o armazenamento térmico, mesmo quando a mistura caiu para a temperatura ambiente.

Quando a liberação de calor é desejada, as janelas seriam descobertas, e o composto líquido seria exposto à luz ambiente ou à luz LED azul para uma resposta mais rápida. As janelas seriam feitas de vidro de borosilicato comum, que transmitiria mais de 90 por cento da luz UV e visível relevante, e um agitador dentro do recipiente ajudaria a evitar que as moléculas de azobenzeno se grudassem.

Filmes, miçangas, e materiais diferentes

O grupo de Grossman continua trabalhando para aplicar e melhorar o conceito de armazenamento térmico. Por exemplo, eles estão examinando seu possível uso como um novo sistema de degelo - um tópico de interesse contínuo para Grossman, que observa que os carros elétricos de hoje consomem tanta energia da bateria para descongelar e aquecer que sua autonomia pode cair 30 por cento durante o tempo frio. Uma abordagem muito melhor seria armazenar energia térmica em uma camada fina, filme transparente e desencadeia uma explosão de calor quando é necessário derreter aquela camada de gelo incômoda.

"Com aquilo em mente, queríamos ver se poderíamos fazer filmes finos de nosso material em áreas maiores e fazer com que exibisse os mesmos comportamentos que vimos em nossas amostras de laboratório, "Grossman diz. Eles depositaram seu composto PCM líquido em uma folha de vidro, coloque outra folha em cima, e selou-o. Eles descobriram que podiam carregar a mistura com luz ultravioleta e, em seguida, descarregá-la mais tarde com luz visível, obter a energia de mudança de fase armazenada de volta na forma de calor. Além disso, eles podiam fazer isso seletivamente para que parte do filme solidificasse e o resto permanecesse líquido.

Outro trabalho se concentra no projeto de um fogão solar que pode armazenar calor após o pôr do sol por mais de 10 minutos típicos dos melhores modelos de hoje, que ainda dependem de PCMs convencionais para armazenamento. Um composto PCM poderia fazer melhor, exceto por uma desvantagem:como vai do sólido ao líquido, também muda de volume - potencialmente o suficiente para danificar o contêiner.

Para evitar esse comportamento, Cédric Viry, estudante de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais e bolsista do Tata Center for Technology and Design, está trabalhando para encapsular o composto dentro de minúsculos grânulos com conchas feitas de sílica ou carbonato de cálcio. O composto confinado passará pelas mudanças de fase necessárias, mas a casca forte limitará a mudança maciça de volume que ocorre em uma mistura não confinada. Os grânulos encapsulados podem ser suspensos em outros líquidos, e métodos melhores de fornecer luz aos materiais podem ser possíveis. "Assim que conseguirmos que o microencapsulamento funcione, haverá muitos mais aplicativos, "diz Grossman.

Finalmente, os pesquisadores estão estendendo seu conceito a diferentes materiais e faixas de temperatura. "Descobrimos alguns aspectos técnicos interessantes e importantes de como o sistema funciona, "diz Grossman." Em particular, como os PCMs e os photoswitches interagem no nível molecular. "

Esse entendimento fundamental já lhes permitiu desenvolver sistemas usando PCMs com diferentes estruturas moleculares - notavelmente, com cadeias em vez de anéis de átomos - junto com photoswitches otimizados para cada um. No futuro, Grossman acredita que eles devem ser capazes de desenvolver sistemas que possam armazenar mais energia térmica e operar em uma variedade de faixas de temperatura, incluindo as baixas temperaturas de interesse para aplicações biomédicas e eletrônicas.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.