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Pesquisadores demonstraram um novo método para aproveitar energia solar em temperaturas superiores a 1.000°C, o que poderia aparentemente revolucionar os processos industriais de alta temperatura.
Considerando a quantidade de aço, cimento e vidro que a nossa sociedade moderna utiliza, desde a construção de estádios de futebol até aviões, precisamos de gerar muito calor para criar esses materiais de construção básicos. Todas estas indústrias respondem por aproximadamente 25% do consumo global de energia, e a fonte de energia utilizada para aquecer estes produtos e torná-los viáveis são os combustíveis fósseis.
Publicado no início desta semana no diário Dispositivo, uma equipe da ETH Zurique, na Suíça, utilizou o efeito de aprisionamento térmico em quartzo sintético, essencialmente capturando energia solar e alcançando temperaturas de até 1.050°C. Embora sejam apenas uma prova de conceito, estas descobertas poderiam reduzir a dependência de combustíveis fósseis nestas indústrias, que são os principais contribuintes para a emissões globais de gases de efeito estufa.
O efeito de retenção térmica aproveita as propriedades únicas de materiais semitransparentes como o quartzo. Esses materiais permitem a passagem da luz visível enquanto absorvem fortemente a radiação infravermelha emitida por superfícies quentes. Este fenômeno permite que o material atinja temperaturas internas mais elevadas do que a sua superfície, retendo efetivamente o calor.
Segundo o estudo, os pesquisadores anexaram uma haste de quartzo a um disco opaco de carboneto de silício, que serviu como absorvedor solar. Quando exposta à radiação solar concentrada equivalente a 135 sóis, a placa absorvedora atingiu 1.050°C, enquanto a face frontal da haste de quartzo permaneceu a uma temperatura relativamente fria de 450°C.
O que torna esta nova pesquisa convincente é a melhoria potencial da eficiência dos receptores solares que utilizam aprisionamento térmico.
“Pesquisas anteriores só conseguiram demonstrar o efeito da armadilha térmica até 170°C,” explicado Emiliano Casati, um dos autores do estudo. “Nossa pesquisa mostrou que a retenção térmica solar funciona não apenas em baixas temperaturas, mas bem acima de 1.000°C. Isto é crucial para mostrar o seu potencial para aplicações industriais no mundo real.”
O modelo de transferência de calor 3D dos pesquisadores, validado com base em dados experimentais, mostrou que os receptores solares com aprisionamento térmico poderiam atingir eficiências térmicas mais altas ou exigir concentrações solares mais baixas para atingir as mesmas temperaturas que os absorvedores não blindados. Por exemplo, o estudo concluiu que um receptor blindado com 300 mm de quartzo pode atingir 70% de eficiência a 1.200°C com uma concentração de 500 sóis, em comparação com 40% de eficiência para um receptor não blindado nas mesmas condições.
Esta melhoria de eficiência é o ingrediente secreto que torna os processos industriais movidos a energia solar mais viáveis e rentáveis. Maior eficiência significa que menos energia solar é necessária para uma determinada produção, reduzindo o tamanho e o custo dos campos coletores de energia solar.
Apesar dos resultados promissores, vários desafios permanecem antes que esta tecnologia possa ser amplamente adotada. Um dos principais problemas é minimizar as perdas reflexivas na interface ar-quartzo. Aproximadamente 4% da energia solar recebida é perdida devido à reflexão, o que limita a eficiência máxima do dispositivo. Pesquisas futuras precisarão abordar isso explorando tratamentos de superfície, como revestimentos ou padrões geométricos, para reduzir o reflexo.
Além disso, demonstrar a viabilidade económica desta tecnologia em grande escala é um enorme obstáculo. Embora o estudo de prova de conceito mostre um potencial significativo, a implementação em larga escala exigirá maior otimização e redução de custos. Os pesquisadores estão atualmente investigando outros materiais e fluidos semitransparentes que podem atingir temperaturas ainda mais altas, o que poderia melhorar ainda mais a eficiência e reduzir custos.
“A energia solar está prontamente disponível e a tecnologia já está aqui”, disse Casati. “Para realmente motivar a adoção pela indústria, precisamos demonstrar a viabilidade económica e as vantagens desta tecnologia em escala.”
MJ Banias cobre espaço, segurança e tecnologia com The Debrief. Você pode enviar um e-mail para ele em mj@thedebrief.org ou segui-lo no Twitter @mjbanias.
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