Um novo sistema de armazenamento de energia solar térmica molecular, inspirado pelos danos do DNA na pele, alcançou densidade energética recorde.
Jeff Liang, UCSB A professora Grace Han, da UCSB, vestindo macacão azul, olha para um equipamento científico.
O sol brilha, às vezes, em Boston, mas não assim.
Quando a professora de química Grace Han visitou o sul da Califórnia vindo de Boston há alguns anos, ela notou a diferença. Como sua pele formigava com os primeiros sinais de irritação após apenas algumas horas ao ar livre.
No ano passado, ela se mudou para assumir um emprego na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e regularmente começou a usar um chapéu de aba larga, óculos de sol e bastante protetor solar. Sendo professora de química, ela já havia feito sua pesquisa.
"Eu estava apenas lendo sobre fotoquímica do DNA por lazer", ela recorda.
Foi quando ela percebeu que as moléculas de DNA na pele das pessoas que são danificadas pela queimadura solar poderiam ajudá-la. Essas moléculas mudam de forma quando irradiadas pelo sol, flexionando-se em uma versão tensa de sua forma regular.
Por décadas, cientistas têm buscado moléculas que possam torcer sua forma, armazenando energia no processo, e então ser induzidas a reverter à sua forma original, liberando a energia armazenada sob demanda.
Um pouco como armar e depois disparar uma ratoeira. É conhecido como armazenamento de energia solar térmica molecular (Most) e é uma forma potencialmente muito barata e livre de emissões de fornecer calor. Esses sistemas Most podem armazenar energia por muitos meses ou até anos.
Pesquisadores tiveram sucesso limitado com a tecnologia no passado, mas, graças ao sol da Califórnia, Han sabia o que tentar em seguida.
É importante ativar a mudança de forma das moléculas de armazenamento de energia de maneira suave e repetível.
Felizmente, milhões de anos de evolução aperfeiçoaram esse processo quando ocorre em nossa pele somos todos laboratórios de química vivos, de certa forma. As moléculas de DNA em nossa pele evoluíram para que possam reparar sua forma contorcida pelo sol com a ajuda de uma enzima chamada fotoliase.
E tais moléculas, percebeu Han, eram candidatas perfeitas para um sistema de armazenamento de energia. "Elas são muito, muito pequenas", explica ela. "E podem armazenar uma quantidade massiva de energia por massa."
Em um artigo publicado em fevereiro, ela e colegas descreveram o sistema de armazenamento de energia mais promissor desse tipo até hoje, pelo menos em termos de sua densidade energética. Era poderoso o suficiente para fazer uma "chaleira muito pequena" em um frasco ferver rapidamente uma pequena quantidade de água, diz Han.
Seus alunos, que realizaram essa parte do estudo, correram para contar a ela como foi. "Quando realmente vi o vídeo e vi a rapidez com que toda a solução estava fervendo, aquilo foi realmente notável", recorda Han.
Ela enfatiza que as análises computacionais prevendo como a molécula se comportaria, feitas por seu colaborador Kendall Houk, da Universidade da Califórnia, Los Angeles, e sua equipe, foram cruciais para o trabalho.
O colega experimentador Most Kasper Moth-Poulsen, que lidera equipes de pesquisa na Universidade Politécnica de Barcelona, na Espanha, e em outras instituições, não esteve envolvido no estudo, mas ficou impressionado com os resultados.
"Acho que nossos melhores sistemas eram um megajoule [de energia por quilograma]. Eles tiveram, acho, 1,6, o que é realmente incrível", diz ele, referindo-se à densidade energética que Han e seus colegas alcançaram.
Os 1,65 megajoules por quilograma registrados em seu artigo de fevereiro são significativamente maiores que a densidade energética das baterias de íon-lítio, atualmente o tipo de bateria mais popular para celulares e carros elétricos.
O sistema Most que Han e seus colegas criaram tem algumas limitações. Por um lado, o comprimento de onda da luz que faz com que as moléculas no coração do sistema mudem de forma é de 300 nanômetros uma forma de "luz UV [ultravioleta] muito forte", diz John Griffin, da Universidade de Lancaster. "Isso vem do sol para nós, mas apenas em quantidades muito pequenas."
Além disso, o gatilho usado para reverter a forma da molécula contorcida a fim de liberar sua energia era o ácido clorídrico uma substância altamente corrosiva que deve ser neutralizada após o uso. "Não é a escolha mais ideal", admite Han.
Ela diz que espera que seja possível melhorar a capacidade de resposta do sistema à luz natural, e também acionar a liberação de energia sem exigir um produto químico tóxico.
O objetivo final de trabalhos como este é descarbonizar o aquecimento, o que é notoriamente difícil.
O mundo ainda depende em grande parte de combustíveis fósseis para aplicações de aquecimento. Sistemas solares térmicos moleculares e combustíveis fósseis são, na verdade, ambas formas de armazenamento de energia química. Mas a tecnologia Most "opera sem queimar nada", enfatiza Moth-Poulsen.
Além disso, Most poderia estar disponível em qualquer lugar da Terra, ao contrário dos combustíveis fósseis, que estão concentrados em alguns locais. É por isso que o bloqueio do Estreito de Ormuz tem causado tantos problemas recentemente, ele ressalta. Os combustíveis produzidos naquela parte do mundo não conseguem chegar onde as pessoas precisam deles.
Moth-Poulsen diz que um sistema de armazenamento de energia Most também poderia armazenar energia a longo prazo, até mesmo por várias décadas. A energia térmica armazenada como calor pode durar apenas algumas horas, dias ou meses, na melhor das hipóteses.
Há algo mais a considerar, no entanto, diz Harry Hoster, da Universidade de Duisburg-Essen, que também é diretor científico do ZBT Center for Fuel Cell Technology, na Alemanha, focado em hidrogênio.
As moléculas fotossensíveis em um sistema Most devem ser espalhadas de forma relativamente fina. Muito espessas e a luz não conseguirá penetrar em todas as moléculas. "Em um cenário realmente otimista, você provavelmente poderia fazer isso com 5 mm de espessura", estima Hoster.
E, empacotar suas moléculas em um líquido significa que você provavelmente terá que mover ou bombear esse líquido de uma parte do sistema para outra, para armazenar a energia ou transferi-la, por exemplo. Isso adiciona custo e complexidade. "No momento em que você precisa bombear coisas, você tem mais coisas que podem quebrar", diz Hoster.
Griffin diz que ele e colegas estão trabalhando em versões de estado sólido da tecnologia Most. Han, que também está pesquisando iterações sólidas do Most, diz que elas poderiam assumir a forma de revestimentos de janelas transparentes, por exemplo. Dessa forma, poderiam liberar calor para evitar condensação ou até mesmo aquecer ambientes.
Hoster, no entanto, é cético de que o Most será capaz de fornecer todo o calor necessário em um edifício. Poderia, no entanto, aquecer componentes sensíveis à temperatura em satélites ou aeronaves.
"É uma ótima ciência", acrescenta. "É lindo que eles tenham conseguido ajustar essa funcionalidade."
As inovações e pesquisas provavelmente continuarão, embora valha a pena notar que este campo permanece relativamente nicho atualmente. Griffin participou de uma conferência no ano passado sobre tecnologia Most com aproximadamente 70 participantes, ele recorda. "Isso era basicamente toda a comunidade mundial trabalhando nisso."
