Uma professora de química descobriu uma nova maneira de armazenar energia inspirada em como a pele humana reage ao sol. A ideia usa moléculas que mudam de forma quando expostas à luz ultravioleta, guardando energia que pode ser liberada depois. Essa tecnologia pode ajudar a criar sistemas de aquecimento mais baratos e sem poluição, funcionando como uma bateria que dura anos.
O forte sol da Califórnia inspirou a pesquisa da Professora Grace Han sobre armazenamento de energia
O sol até brilha, às vezes, em Boston, mas não como na Califórnia.
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.
- A nova tecnologia armazena energia como uma bateria, mas usando moléculas que mudam de forma com a luz do sol.
- A inspiração veio das queimaduras de sol: moléculas de DNA na pele se deformam com a radiação UV e podem ser usadas para guardar energia.
- O sistema criado pela equipe é mais potente que as baterias de lítio, armazenando 1,65 megajoules por quilo.
- A energia pode ser liberada sob demanda, aquecendo água ou ambientes, sem queimar nada.
- Ainda há desafios: o sistema precisa de luz ultravioleta forte e usa um ácido corrosivo para liberar a energia.
No ano passado, ela se mudou para trabalhar na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e começou a usar regularmente um chapéu de abas largas, óculos escuros e muito protetor solar. Sendo professora de química, ela já havia feito sua pesquisa.
"Eu estava lendo sobre fotoquímica do DNA por lazer", ela lembra.
A descoberta científica
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, se flexionando em uma versão deformada de sua forma regular.
Por décadas, cientistas têm procurado moléculas que possam torcer sua forma, armazenando energia no processo, e depois serem induzidas a voltar à 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.
Como funciona o processo
É importante ativar a mudança de forma das moléculas que armazenam energia de forma 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 deformadas pelo sol com a ajuda de uma enzima chamada fotoliase.
Han percebeu que tais 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."
Resultados impressionantes
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. Ele foi potente o suficiente para fazer uma "chaleira muito pequena" em um frasco ferver uma pequena quantidade de água rapidamente, diz Han.
"Quando vi o vídeo e vi a rapidez com que toda a solução estava fervendo, foi realmente notável", lembra Han.
Ela enfatiza que as análises computacionais que previam 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 colega experimentador de Most, Kasper Moth-Poulsen, que lidera equipes de pesquisa na Universidade Politécnica de Barcelona e outras instituições, não esteve envolvido no estudo, mas ficou impressionado com os resultados.
"Acho que nossos melhores sistemas tinham um megajoule [de energia por quilograma]. Eles tinham, 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 do que a densidade de energia das baterias de íon-lítio, atualmente o tipo de bateria mais popular para celulares e carros elétricos.
Limitações e desafios
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 em quantidades muito pequenas."
Além disso, o gatilho usado para reverter a forma da molécula deformada e liberar sua energia era o ácido clorídrico, uma substância altamente corrosiva que precisa 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 precisar de um produto químico tóxico.
O futuro do armazenamento de energia
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. Os sistemas solares térmicos moleculares e os 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 nessa parte do mundo não conseguem chegar aonde 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 outra coisa a considerar, no entanto, diz Harry Hoster, da Universidade de Duisberg-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. Muito espessa e a luz não conseguirá penetrar em todas as moléculas o suficiente dentro dela. "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, você tem mais coisas que podem quebrar", diz Hoster.
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, eles 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. Poderia, no entanto, aquecer componentes sensíveis à temperatura em satélites ou aeronaves.
"É uma ótima ciência", acrescenta ele. "É lindo que eles conseguiram acertar essa funcionalidade."
As inovações e pesquisas provavelmente continuarão, embora valha a pena notar que este campo ainda permanece relativamente nichado no momento. Griffin participou de uma conferência no ano passado sobre tecnologia Most com cerca de 70 participantes, ele lembra. "Essa era basicamente toda a comunidade no mundo trabalhando nessa área."
Correção 9 de maio: Este artigo foi corrigido para esclarecer que apenas alguns organismos usam fotoliase para reparar o DNA.
