Cientistas criaram um sistema que usa moléculas inspiradas na pele queimada pelo sol para armazenar energia solar por meses ou até anos. Essa nova tecnologia pode aquecer casas e substituir combustíveis poluentes de forma barata e limpa.
Professora Grace Han da UCSB em seus equipamentos de laboratório
O sol até aparece, às vezes, em Boston, mas não desse jeito.
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 depois de apenas algumas horas ao ar livre.
- Moléculas inspiradas na pele queimada podem armazenar energia solar por décadas
- O sistema criado é mais potente que as melhores baterias de lítio
- Essa tecnologia pode aquecer casas sem poluir o meio ambiente
- O armazenamento pode durar meses ou até anos sem perder a energia
- Pesquisadores usaram computadores poderosos para prever o funcionamento das moléculas
A descoberta que veio da praia
No ano passado, ela se mudou para assumir um emprego na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e começou a usar regularmente um chapéu de aba larga, óculos escuros e muito protetor solar. Sendo professora de química, ela já havia feito sua pesquisa.
"Eu estava apenas lendo sobre fotoquímica do DNA por lazer", ela lembra.
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 distorcida de sua forma regular.
Como funciona o armazenamento de energia molecular
Por décadas, cientistas têm procurado moléculas que podem torcer sua forma, armazenando energia no processo, e então ser induzidas a voltar à sua forma original, liberando a energia armazenada sob demanda.
É como armar e depois acionar uma ratoeira. Isso é conhecido como armazenamento de energia solar térmica molecular (Most) e é uma forma potencialmente muito barata e sem emissões de fornecer calor. Esses sistemas Most podem armazenar energia por muitos meses ou até anos.
Pesquisadores já tiveram sucesso limitado com a tecnologia, 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 certas plantas e animais.
Os seres vivos são todos laboratórios de química, de certa forma, e alguns organismos evoluíram para que possam reparar moléculas contorcidas pelo sol com a ajuda de uma enzima chamada fotoliase.
Han percebeu que essas moléculas eram, portanto, candidatas perfeitas para um sistema de armazenamento de energia. "Elas são muito, muito pequenas", explica ela. "E podem armazenar uma quantidade enorme de energia por massa."
O recorde do sistema: mais potente que baterias de lítio
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 densidade de energia. Era potente o suficiente para fazer uma "chaleira muito pequena" em um frasco ferver uma pequena quantidade de água rapidamente, diz Han.
Suas alunas, 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, isso foi realmente notável", lembra Han.
Ela enfatiza que as análises de computador prevendo como a molécula se comportaria, feitas por seu colaborador Kendall Houk da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, e sua equipe, foram cruciais para o trabalho.
O que outros especialistas dizem sobre a descoberta
O colega experimentador Most Kasper Moth-Poulsen, que lidera equipes de pesquisa na Universidade Politécnica de Barcelona, na Espanha, e outras instituições, não esteve envolvido no estudo, mas ficou impressionado com os resultados.
"Acho que nossos melhores sistemas eram de um megajoule [de energia por quilograma]. Eles tiveram, acho, 1,6, o que é realmente incrível", diz ele, referindo-se à densidade de energia que Han e seus colegas alcançaram.
Os 1,65 megajoules por quilograma registrados em seu artigo de fevereiro são significativamente maiores que a densidade de energia das baterias de íon-lítio, atualmente o tipo de bateria mais popular para telefones e carros elétricos.
Os desafios que ainda precisam ser superados
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 centro 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 desencadear a liberação de energia sem exigir um produto químico tóxico.
O futuro do aquecimento: energia solar molecular
O objetivo final de um trabalho 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, o 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 aponta. 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, mesmo por várias décadas. A energia térmica armazenada como calor pode durar apenas algumas horas, dias ou meses, na melhor das hipóteses.
Aplicações práticas e limitações
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.
As moléculas sensíveis à luz em um sistema Most devem ser espalhadas de forma relativamente fina. Se forem muito grossas, 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 embalar 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, tem mais coisas que podem quebrar", diz Hoster.
O futuro: janelas que aquecem
Griffin diz que ele e seus 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, elas poderiam liberar calor para evitar condensação ou até mesmo aquecer ambientes.
Hoster, no entanto, está cético de que o Most será capaz de fornecer todo o calor necessário em um edifício. No entanto, poderia aquecer componentes sensíveis à temperatura em satélites ou aeronaves.
"É uma ótima ciência", acrescenta. "É lindo que eles tenham conseguido acertar essa funcionalidade."
As inovações e pesquisas provavelmente continuarão, embora valha a pena notar que este campo permanece relativamente nichado no presente. Griffin participou de uma conferência no ano passado sobre tecnologia Most com aproximadamente 70 participantes, ele lembra. "Essa era basicamente toda a comunidade no mundo trabalhando nisso."
Correção 9 de maio: Este artigo foi alterado para esclarecer que apenas alguns organismos usam fotoliase para reparar o DNA.
