Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova maneira de fornecer resfriamento em um dia quente e ensolarado, usando materiais baratos e não exigindo energia gerada por combustível fóssil. O sistema passivo, que poderia ser usado para complementar outros sistemas de resfriamento para preservar alimentos e medicamentos na temperatura quente, locais fora da rede, é essencialmente uma versão de alta tecnologia de um guarda-sol.

O sistema permite a emissão de calor na faixa de infravermelho médio de luz que pode passar direto pela atmosfera e irradiar para o frio do espaço sideral, perfurando diretamente os gases que agem como uma estufa. Para evitar o aquecimento sob a luz solar direta, uma pequena tira de metal suspensa acima do dispositivo bloqueia os raios diretos do sol.

O novo sistema é descrito esta semana na revista Nature Communications em um artigo do cientista pesquisador Bikram Bhatia, estudante de graduação Arny Leroy, professora de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang, professor de física Marin Soljacic, e seis outros no MIT.

Em teoria, o sistema que eles projetaram poderia fornecer resfriamento de até 20 graus Celsius (36 graus Fahrenheit) abaixo da temperatura ambiente em um local como Boston, dizem os pesquisadores. Até aqui, em seus testes iniciais de prova de conceito, eles alcançaram um resfriamento de 6 C (cerca de 11 F). Para aplicações que requerem ainda mais resfriamento, o restante poderia ser obtido por meio de sistemas convencionais de refrigeração ou resfriamento termoelétrico.

Outros grupos tentaram projetar sistemas de resfriamento passivos que irradiam calor na forma de comprimentos de onda de luz infravermelha média, mas esses sistemas foram baseados em dispositivos fotônicos de engenharia complexos que podem ser caros de fazer e não estão prontamente disponíveis para uso generalizado, dizem os pesquisadores. Os dispositivos são complexos porque são projetados para refletir quase perfeitamente todos os comprimentos de onda da luz solar, e apenas para emitir radiação na faixa do infravermelho médio, em geral. Essa combinação de refletividade seletiva e emissividade requer um material de multicamadas onde as espessuras das camadas são controladas com precisão nanométrica.

Mas acontece que uma seletividade semelhante pode ser alcançada simplesmente bloqueando a luz solar direta com uma faixa estreita colocada no ângulo certo para cobrir o caminho do sol no céu, não requer rastreamento ativo pelo dispositivo. Então, um dispositivo simples construído a partir de uma combinação de filme plástico barato, alumínio polido, pintura branca, e o isolamento pode permitir a emissão necessária de calor por meio da radiação infravermelha média, que é como a maioria dos objetos naturais se resfriam, ao mesmo tempo que evita que o dispositivo seja aquecido pela luz solar direta. Na verdade, sistemas simples de resfriamento radiativo têm sido usados ​​desde os tempos antigos para atingir o resfriamento noturno; o problema era que esses sistemas não funcionavam durante o dia porque o efeito de aquecimento da luz solar era pelo menos 10 vezes mais forte do que o efeito de resfriamento máximo possível.

Mas os raios de aquecimento do sol viajam em linhas retas e são facilmente bloqueados - como experimentamos, por exemplo, pisando na sombra de uma árvore em um dia quente. Ao sombrear o dispositivo, essencialmente colocando um guarda-chuva sobre ele, e complementando isso com isolamento ao redor do dispositivo para protegê-lo da temperatura do ar ambiente, os pesquisadores tornaram o resfriamento passivo mais viável.

"Nós construímos a configuração e fizemos experimentos ao ar livre em um telhado do MIT, "Bhatia diz." Foi feito com materiais muito simples "e mostrou claramente a eficácia do sistema.

"É enganosamente simples, "Diz Wang." Por ter uma sombra separada e um emissor para a atmosfera - dois componentes separados que podem ser de custo relativamente baixo - o sistema não requer uma habilidade especial para emitir e absorver seletivamente. Estamos usando seletividade angular para permitir o bloqueio do sol direto, à medida que continuamos a emitir os comprimentos de onda portadores de calor para o céu. "

Este projeto "nos inspirou a repensar sobre o uso de 'sombra, '"diz Yichen Shen, um afiliado de pesquisa e co-autor do artigo. "No passado, as pessoas só estão pensando em usá-lo para reduzir o aquecimento. Mas agora, sabemos se a sombra é usada de forma inteligente junto com alguma filtragem de luz de suporte, pode ser usado para resfriar o objeto, " ele diz.

Um fator limitante para o sistema é a umidade na atmosfera, Leroy diz, que pode bloquear parte da emissão infravermelha através do ar. Em um lugar como Boston, perto do oceano e relativamente úmido, isso restringe a quantidade total de resfriamento que pode ser alcançada, limitando-o a cerca de 20 graus Celsius. Mas em ambientes mais secos, como o sudoeste dos EUA ou muitos ambientes desérticos ou áridos em todo o mundo, o resfriamento máximo alcançável poderia realmente ser muito maior, ele aponta, potencialmente tanto quanto 40 C (72 F).

Embora a maioria das pesquisas sobre resfriamento radiativo tenha se concentrado em sistemas maiores que podem ser aplicados para resfriar salas ou edifícios inteiros, esta abordagem é mais localizada, Wang diz:"Isso seria útil para aplicações de refrigeração, como armazenamento de alimentos ou vacinas. "De fato, protegendo vacinas e outros medicamentos da deterioração no calor, as condições tropicais têm sido um grande desafio contínuo que esta tecnologia poderia estar bem posicionada para enfrentar.

Mesmo se o sistema não fosse suficiente para baixar a temperatura até os níveis necessários, "poderia, pelo menos, reduzir as cargas" nos sistemas elétricos de refrigeração, para fornecer apenas o resfriamento final, Wang diz.

O sistema também pode ser útil para alguns tipos de sistemas fotovoltaicos concentrados, onde os espelhos são usados ​​para focalizar a luz do sol em uma célula solar para aumentar sua eficiência. Mas tais sistemas podem superaquecer facilmente e geralmente requerem gerenciamento térmico ativo com fluidos e bombas. Em vez de, a parte traseira de tais sistemas de concentração pode ser equipada com as superfícies emissivas do infravermelho médio usadas no sistema de resfriamento passivo, e poderia controlar o aquecimento sem qualquer intervenção ativa.

Enquanto eles continuam trabalhando para melhorar o sistema, o maior desafio é encontrar maneiras de melhorar o isolamento do dispositivo, para evitar que aqueça muito com o ar circundante, sem bloquear sua capacidade de irradiar calor. “O principal desafio é encontrar um material isolante que seja transparente ao infravermelho, "Leroy diz.

A equipe solicitou patentes para a invenção e espera que ela possa começar a encontrar aplicações no mundo real rapidamente.

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.