Físicos da Universidade do Colorado em Boulder desenvolveram um novo tipo de isolamento de janelas que pode melhorar significativamente a forma como o calor é gerenciado em edifícios em todo o mundo. Sua criação funciona um pouco como uma forma de plástico bolha de alta tecnologia, mas é projetada para desempenho energético e não para embalagem.
Este material é denominado isolante mesoporoso opticamente transparente (MOCHI). Pode ser feito como um bloco grosso ou como uma folha fina e flexível que se fixa à superfície interna de uma janela padrão. Atualmente, o MOCHI é produzido apenas em laboratórios e ainda não está disponível para os consumidores, mas os pesquisadores relatam que é extremamente durável e quase totalmente transparente.
Devido à sua clareza, o MOCHI mantém uma visão desobstruída, o que o diferencia de muitos outros produtos de isolamento de janelas.
“Para interromper a troca de calor, você pode colocar muito isolamento nas paredes, mas as janelas têm que ser transparentes”, disse o autor sênior do estudo, Ivan Smalyukh, professor de física na Universidade do Colorado em Boulder. “Encontrar isoladores transparentes é realmente desafiador.”
A equipe publicou as descobertas em 11 de dezembro na revista ciência.
Por que a perda de calor nas janelas é importante
Os edifícios, desde residências a grandes edifícios de escritórios, são responsáveis por aproximadamente 40% do consumo global de energia. Grande parte desta energia é desperdiçada quando o calor escapa para fora durante o inverno ou entra no edifício durante o tempo quente.
Smalyukh e seus colaboradores esperam que o MOCHI diminua o fluxo de calor indesejado.
O novo material é um gel à base de silicone com estrutura interna complexa. Ele contém ar preso em poros extremamente finos, muito mais finos que um fio de cabelo humano. Esses pequenos bolsos fazem do MOCHI um excelente isolante térmico. Na verdade, uma folha fina de apenas 5 mm de espessura é suficiente para manter uma pessoa segura contra uma chama.
“Qualquer que seja a temperatura externa, queremos que as pessoas possam ter uma temperatura confortável dentro de casa sem desperdiçar energia”, disse Smalyukh, pesquisador do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI) da Universidade do Colorado em Boulder.
Como o MOCHI controla a luz e o calor
Smalyukh descreve a chave para o desempenho do MOCHI como suas bolsas de ar precisamente alinhadas.
O novo material tem semelhanças com o aerogel, um conhecido isolante usado em muitas indústrias. (A NASA usa aerogel dentro de seu rover de Marte para manter os eletrônicos aquecidos). Os aerogéis também dependem de poros cheios de ar, mas esses poros geralmente estão dispostos em padrões aleatórios que dispersam a luz. É por isso que os aerogéis costumam parecer turvos e às vezes são chamados de “fumaça congelada”.
A equipe da Universidade do Colorado em Boulder queria um material isolante que pudesse manter a transparência e ao mesmo tempo fornecer forte resistência ao calor.
Para construir o MOCHI, os pesquisadores combinaram moléculas de surfactante com uma mistura líquida. Essas moléculas se agrupam naturalmente em formas semelhantes a fios, um pouco como a separação que ocorre quando o óleo e o vinagre formam camadas no molho para salada. Moléculas de organossilício na mesma mistura fixam-se à superfície desses fios finos.
Através de várias etapas controladas, os pesquisadores removeram os aglomerados de detergente e os substituíram por ar. Isso deixa uma moldura de silicone cercada por uma rede de canais ultrapequenos cheios de ar. Smaliuk comparou os padrões intrincados ao “pesadelo de um encanador”.
O ar é responsável por mais de 90% do volume da MOCHI.
Bloqueando o calor em escala molecular
A maneira como o calor viaja através de um gás é semelhante a uma reação em cadeia semelhante a uma bola de bilhar. A energia faz com que as moléculas e os átomos do gás se movam mais rapidamente e colidam uns com os outros, transferindo calor à medida que colidem.
Os poros dentro do MOCHI são tão pequenos que as moléculas de gás não podem colidir livremente. Em vez disso, eles atingiram repetidamente as paredes de silicone, evitando que o calor se espalhasse facilmente pelo material.
“As moléculas não têm chance de colidir livremente umas com as outras e trocar energia”, disse Smalyuk. “Em vez disso, eles atingiram as paredes dos poros.”
Apesar de suas fortes capacidades de isolamento, o MOCHI reflete apenas cerca de 0,2% da luz incidente, permitindo a passagem de quase toda a luz visível.
Usos potenciais e desenvolvimentos futuros
Os pesquisadores prevêem muitas aplicações para um material transparente que captura calor com eficiência. Uma possibilidade é um dispositivo que capture o calor da luz solar e o converta em energia sustentável e de baixo custo.
“Mesmo que o tempo esteja um pouco nublado, você ainda pode aproveitar muita energia e usá-la para aquecer a água e o interior do seu prédio”, disse Smalyuk.
Atualmente, MOCHI não está pronto para lançamento comercial. Embora Smalyukh acredite que métodos de fabricação mais eficientes possam ser desenvolvidos, a produção em laboratório demoraria um pouco. O custo relativamente baixo dos componentes utilizados para fabricar o MOCHI apoia o potencial de expansão da tecnologia a longo prazo.
Por enquanto, as perspectivas da MOCHI continuam positivas, assim como a visão clara através das janelas revestidas com o material.
Os co-autores do estudo incluem Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Eldo Abraham e Taewoo Lee, todos bolsistas de pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade do Colorado em Boulder. Ex-pesquisadores de pós-doutorado da Universidade do Colorado Boulder Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove e Vladyslav Cherpak também contribuíram como coautores.
