Cerâmica de refrigeração passiva resfria casas sem gastar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/11/2023

A cerâmica pode ser aplicada no teto ou como revestimento externo, provendo refrigeração passiva.
[Imagem: City University of Hong Kong]

Cerâmica de resfriamento

Engenheiros de Hong Kong desenvolveram uma "cerâmica refrigeradora" que representa um avanço significativo para o uso prático do resfriamento radiativo passivo, ou refrigeração passiva, que manda o calor para o frio do espaço sem gastar energia.

O material, batizado de cerâmica de resfriamento, alcançou propriedades ópticas de alto desempenho ao refletir o calor em frequências para as quais a atmosfera da Terra é transparente. Isto permite baixar a temperatura de ambientes sem usar refrigerantes e sem gastar energia, o que torna o material uma alternativa promissora aos tradicionais sistemas de ar-condicionado.

Mais do que uma demonstração de laboratório, a relação custo-benefício, durabilidade e versatilidade da cerâmica deixam-na praticamente pronta para comercialização, para uso não apenas na construção civil, mas em diversas outras aplicações.

"Nosso experimento mostrou que a aplicação da cerâmica de resfriamento no telhado de uma casa pode gerar mais de 20% de economia na eletricidade para resfriamento de ambientes, o que confirma o grande potencial da cerâmica de resfriamento na redução da dependência das pessoas das estratégias tradicionais de resfriamento ativo, e fornece uma solução sustentável para evitar a sobrecarga da rede elétrica, as emissões de gases de efeito estufa e as ilhas de calor urbanas", disse o professor Chi Yan Tso, da Universidade Cidade de Hong Kong.

A cerâmica bioinspirada de alta reflexividade solar imita a brancura do besouro Cyphochilus.
[Imagem: City University of Hong Kong]

Brancura inspirada em besouro

A extraordinária singularidade da cerâmica de resfriamento reside na sua estrutura hierarquicamente porosa inspirada na casca do escaravelho (Cyphochilus), que possui escamas brancas especialmente brilhantes que cobrem todo o seu exoesqueleto.

Essas escamas brancas são compostas de esclerotina, uma forma modificada do polímero quitina, e são mais brancas que qualquer material artificial produzido até hoje. A brancura das escamas deve-se a uma fina estrutura fotônica desordenada que reflete a luz de todos os comprimentos de onda com a mesma eficiência - ela já foi copiada em várias tecnologias biomiméticas, como em um papel super branco.

A cerâmica bioinspirada foi fabricada usando materiais acessíveis, como alumina, por meio de um processo simples de duas etapas, envolvendo inversão de fase e sinterização, tornando a fabricação escalonável e economicamente viável.

E a cerâmica marca pontos nas duas propriedades ópticas que determinam o desempenho de resfriamento dos materiais de refrigeração passiva, tipicamente descritas em duas faixas de comprimento de onda: A faixa solar (0,25-2,5 µm) e a faixa do infravermelho médio (8-13 µm). Um resfriamento passivo eficiente requer alta reflexividade na primeira faixa, para minimizar o ganho de calor solar, e alta emissividade na segunda faixa, para maximizar a dissipação do calor radiativo.

A alumina, a matéria-prima principal da cerâmica de resfriamento, garante que ela mantenha a absorção solar no mínimo. "A cerâmica de resfriamento é feita de alumina, o que proporciona a degradação desejada da resistência aos raios UV, o que é uma preocupação típica da maioria dos projetos de resfriamento passivo radiativo à base de polímeros. Ela também apresenta excelente resistência ao fogo, ao suportar temperaturas superiores a 1.000 °C, o que supera as capacidades da maioria materiais de resfriamento passivo radiativo à base de polímero ou à base de metal," disse o professor Tso.

Além disso, ao imitar a bio-brancura do escaravelho e otimizar a estrutura porosa com base em um fenômeno conhecido como dispersão de Mie, a cerâmica de resfriamento passivo dispersa eficientemente quase todo os comprimentos de onda da luz solar, resultando em uma reflexividade solar quase ideal de 99,6% e uma alta emissão térmica no infravermelho médio, de 96,5%. Essas propriedades ópticas superam as dos materiais de última geração.

As peças cerâmicas são moldáveis e podem até ser coloridas se necessário.
[Imagem: City University of Hong Kong]

Efeito Leidenfrost

Além do seu excepcional desempenho óptico, durante os testes em campo a cerâmica de resfriamento apresentou excelente resistência às intempéries, estabilidade química e resistência mecânica, tornando-a pronta para aplicações externas de longo prazo.

Em temperaturas extremamente altas, a cerâmica de resfriamento apresenta superhidrofilicidade, permitindo o espalhamento imediato das gotas devido à sua estrutura porosa interligada. Esta característica superhidrofílica inibe o efeito Leidenfrost que impede a evaporação, comumente encontrado em materiais tradicionais de revestimento de edifícios, e permite um resfriamento evaporativo eficiente.

O efeito Leidenfrost é um fenômeno que ocorre quando um líquido entra em contato com uma superfície significativamente mais quente que seu ponto de ebulição. Em vez de ferver imediatamente, o líquido forma uma camada de vapor que o isola do contato direto com a superfície. Essa camada de vapor reduz a taxa de transferência de calor e torna ineficaz o resfriamento do líquido na superfície quente, fazendo com que o líquido levite e deslize pela superfície.

"A beleza da cerâmica de resfriamento é que ela atende aos requisitos tanto para resfriamento passivo radiativo de alto desempenho quanto para aplicações em ambientes da vida real," finalizou o professor Tso, acrescentando que a cerâmica também pode ser colorida usando uma camada dupla, atendendo também aos requisitos estéticos.

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