À medida que o mundo fica mais quente, projeta-se que o uso de sistemas de ar condicionado que consomem muita energia aumente significativamente, sobrecarregando as redes elétricas existentes e ignorando muitos locais com pouca ou nenhuma energia elétrica confiável. Agora, um sistema inovador desenvolvido no MIT oferece uma maneira de usar o resfriamento passivo para preservar culturas alimentares e complementar os condicionadores de ar convencionais em edifícios, sem necessidade de energia e apenas uma pequena necessidade de água.
O sistema, que combina resfriamento radiativo, resfriamento evaporativo e isolamento térmico em um pacote fino que pode se assemelhar a painéis solares existentes, pode fornecer até cerca de 19 graus Fahrenheit (9,3 graus Celsius) de resfriamento a partir da temperatura ambiente, o suficiente para permitir alimentos seguros armazenamento por cerca de 40 por cento a mais em condições muito úmidas. Poderia triplicar o tempo de armazenamento seguro em condições de secagem.

As descobertas são relatadas na revista Cell Reports Physical Science , em um artigo do pós-doutorado do MIT Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, professores Jeffrey Grossman e Evelyn Wang, e dois outros. Embora mais pesquisas sejam necessárias para reduzir o custo de um componente-chave do sistema, os pesquisadores dizem que, eventualmente, esse sistema pode desempenhar um papel significativo no atendimento das necessidades de resfriamento de muitas partes do mundo onde a falta de eletricidade ou água limita o uso de sistemas de refrigeração convencionais.

O sistema combina habilmente projetos de resfriamento independentes anteriores, cada um fornecendo quantidades limitadas de energia de resfriamento, a fim de produzir significativamente mais resfriamento em geral - o suficiente para ajudar a reduzir as perdas de alimentos por deterioração em partes do mundo que já sofrem com o suprimento limitado de alimentos. Em reconhecimento a esse potencial, a equipe de pesquisa foi parcialmente apoiada pelo Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel do MIT.

"Esta tecnologia combina alguns dos bons recursos das tecnologias anteriores, como resfriamento evaporativo e resfriamento radiativo", diz Lu. Ao usar essa combinação, ele diz, "nós mostramos que você pode obter uma extensão significativa da vida útil dos alimentos, mesmo em áreas onde há alta umidade", o que limita as capacidades dos sistemas convencionais de resfriamento evaporativo ou radiativo.

Em locais que possuem sistemas de ar condicionado existentes em edifícios, o novo sistema pode ser usado para reduzir significativamente a carga desses sistemas enviando água fria para a parte mais quente do sistema, o condensador. "Ao diminuir a temperatura do condensador, você pode aumentar efetivamente a eficiência do ar condicionado, de modo que pode economizar energia potencialmente", diz Lu.

Outros grupos também têm buscado tecnologias de resfriamento passivo, diz ele, mas "combinando esses recursos de maneira sinérgica, agora somos capazes de obter alto desempenho de resfriamento, mesmo em áreas de alta umidade, onde a tecnologia anterior geralmente não funciona bem".

O sistema consiste em três camadas de material, que juntas fornecem resfriamento à medida que a água e o calor passam pelo dispositivo. Na prática, o dispositivo poderia se assemelhar a um painel solar convencional, mas em vez de fornecer eletricidade, forneceria resfriamento direto, por exemplo, atuando como o teto de um recipiente de armazenamento de alimentos. Ou pode ser usado para enviar água gelada através de tubos para resfriar partes de um sistema de ar condicionado existente e melhorar sua eficiência. A única manutenção necessária é adicionar água para a evaporação, mas o consumo é tão baixo que isso só precisa ser feito uma vez a cada quatro dias nas áreas mais quentes e secas, e apenas uma vez por mês nas áreas mais úmidas.

A camada superior é um aerogel, um material que consiste principalmente de ar contido nas cavidades de uma estrutura semelhante a uma esponja feita de polietileno. O material é altamente isolante, mas permite que o vapor de água e a radiação infravermelha passem livremente. A evaporação da água (que sobe da camada abaixo) fornece parte do poder de resfriamento, enquanto a radiação infravermelha, aproveitando a extrema transparência da atmosfera da Terra nesses comprimentos de onda, irradia parte do calor diretamente para o ar e para o espaço. – ao contrário dos condicionadores de ar, que expelem ar quente no ambiente ao redor.

Abaixo do aerogel há uma camada de hidrogel – outro material esponjoso, mas cujos espaços porosos são preenchidos com água em vez de ar. É semelhante ao material atualmente usado comercialmente para produtos como almofadas de resfriamento ou curativos para feridas. Isso fornece a fonte de água para resfriamento evaporativo, pois o vapor de água se forma em sua superfície e o vapor passa direto pela camada de aerogel e sai para o meio ambiente.

Abaixo disso, uma camada semelhante a um espelho reflete qualquer luz solar recebida que a atingiu, enviando-a de volta pelo dispositivo, em vez de deixar aquecer os materiais e, assim, reduzir sua carga térmica. E a camada superior do aerogel, sendo um bom isolante, também é altamente refletora solar, limitando a quantidade de aquecimento solar do dispositivo, mesmo sob forte luz solar direta.

“A novidade aqui é realmente apenas reunir o recurso de resfriamento radiativo, o recurso de resfriamento evaporativo e também o recurso de isolamento térmico em uma arquitetura”, explica Lu. O sistema foi testado, usando uma versão pequena, com apenas 4 polegadas de diâmetro, no telhado de um prédio do MIT, provando sua eficácia mesmo em condições climáticas abaixo do ideal, diz Lu, e alcançando 9,3 C de resfriamento (18,7 F).

"O desafio anterior era que os materiais evaporativos geralmente não lidam bem com a absorção solar", diz Lu. “Com esses outros materiais, geralmente quando estão sob o sol, eles são aquecidos, de modo que não conseguem obter alta potência de resfriamento à temperatura ambiente”.

As propriedades do material do aerogel são a chave para a eficiência geral do sistema, mas esse material atualmente é caro de produzir, pois requer equipamento especial para secagem de ponto crítico (CPD) para remover solventes lentamente da delicada estrutura porosa sem danificá-la. A principal característica que precisa ser controlada para fornecer as características desejadas é o tamanho dos poros no aerogel, que é feito misturando o material de polietileno com solventes, permitindo que ele endureça como uma tigela de gelatina, e então obtendo o solventes dele. A equipe de pesquisa está atualmente explorando maneiras de tornar esse processo de secagem mais barato, como o uso de liofilização, ou encontrar materiais alternativos que possam fornecer a mesma função isolante a um custo menor, como membranas separadas por um espaço de ar.

Enquanto os outros materiais usados ​​no sistema estão prontamente disponíveis e são relativamente baratos, diz Lu, “o aerogel é o único material que é um produto do laboratório que requer mais desenvolvimento em termos de produção em massa”. E é impossível prever quanto tempo esse desenvolvimento pode levar antes que esse sistema possa ser posto em prática para uso generalizado, diz ele.

A equipe de pesquisa incluiu Lenan Zhang do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e Jatin Patil do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. + Explorar mais

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