Físicos da Universidade do Colorado em Boulder desenvolveram um novo material isolante para janelas que poderia melhorar significativamente a forma como o calor é gerenciado em edifícios em todo o mundo. Sua criação é um pouco semelhante a uma forma de plástico-bolha de alta tecnologia, mas foi projetada para eficiência energética, não para embalagem.
O material é chamado de isolante mesoporoso opticamente transparente, ou MOCHI. Pode ser feito na forma de blocos grossos ou finas folhas flexíveis que são fixadas na superfície interna das janelas padrão. Atualmente, o MOCHI é produzido apenas em laboratório e ainda não está disponível para os consumidores, mas os pesquisadores relatam que é durável e quase totalmente transparente.
Graças à sua transparência, MOCHI proporciona uma visão desobstruída, o que o distingue de muitos outros produtos isolantes de janelas.
“Para bloquear a transferência de calor, você pode colocar muito isolamento nas paredes, mas as janelas têm que ser transparentes”, disse Ivan Smaliukh, autor sênior do estudo e professor de física na CU Boulder. “Encontrar isoladores transparentes é realmente difícil.”
A equipe de pesquisa publicou suas descobertas em 11 de dezembro na revista Ciência.
Por que a perda de calor da janela é importante
Edifícios de todos os tipos, desde casas a grandes torres de escritórios, representam cerca de 40% do consumo global de energia. Grande parte desta energia é desperdiçada quando o calor escapa para o exterior no inverno ou entra nos edifícios em climas quentes.
Smoluch e seus colaboradores esperam que o MOCHI diminua esse fluxo de calor indesejado.
O novo material é um gel à base de silicone com estrutura interna complexa. Contém ar que está em poros extremamente finos, muito mais finos que um fio de cabelo humano. Estas bolsas microscópicas fazem do MOCHI uma excelente barreira térmica. Na verdade, uma folha de apenas 5 milímetros de espessura é suficiente para uma pessoa conter as chamas com segurança.
“Não importa qual seja a temperatura externa, queremos que as pessoas possam ter uma temperatura confortável dentro de casa sem desperdiçar energia”, disse Smaluch, do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI) da CU Boulder.
Como o MOCHI controla a luz e o calor
Smoluch descreveu a chave para o desempenho do MOCHI como bolsas de ar posicionadas com precisão.
O novo material tem semelhanças com os aerogéis, conhecidos isolantes utilizados em muitas indústrias. (A NASA usa aerogéis dentro dos rovers para manter os eletrônicos aquecidos). Os aerogéis também dependem de poros cheios de ar, mas esses poros geralmente estão dispostos em um padrão aleatório que dispersa a luz. É por isso que os aerogéis costumam parecer turvos e às vezes são chamados de “fumaça congelada”.
A equipe da CU Boulder queria criar um material isolante que mantivesse a clareza e ao mesmo tempo fornecesse forte resistência térmica.
Para construir o MOCHI, os pesquisadores combinaram moléculas de surfactante com uma mistura líquida. Essas moléculas agrupam-se naturalmente em formas fibrosas, parecidas com a separação que ocorre quando o óleo e o vinagre formam camadas no molho para salada. Moléculas de silicone na mesma mistura fixam-se à superfície desses minúsculos fios.
Através de várias etapas controladas, os pesquisadores removem os aglomerados de detergente e os substituem por ar. Isso deixa para trás uma estrutura de silicone que envolve uma rede de canais ultrapequenos cheios de ar. Smoluch compara o intrincado padrão ao “pesadelo de um encanador”.
O ar representa mais de 90% do volume da MOCHI.
Parando o calor em escala molecular
O calor passa pelo gás de maneira semelhante a uma reação em cadeia no estilo do 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 a oportunidade de colidir livremente umas com as outras e trocar energia”, disse Smalyukh. “Em vez disso, eles grudam nas paredes dos poros.”
Apesar de sua forte capacidade de bloquear o calor, o MOCHI reflete apenas cerca de 0,2% da luz que entra, permitindo a passagem de quase toda a luz visível.
Usos potenciais e desenvolvimento futuro
Os pesquisadores prevêem muitas aplicações para o material transparente que retém o calor de maneira eficaz. Uma possibilidade é um dispositivo que capture o calor da luz solar e o transforme em energia barata e sustentável.
“Mesmo em um dia nublado, você ainda pode capturar muita energia e usá-la para aquecer a água e o interior do edifício”, disse Smaluch.
MOCHI não está pronto para lançamento comercial neste momento. A sua produção em laboratório é demorada, embora Smaluch acredite que podem ser desenvolvidos métodos de fabrico mais eficientes. Os componentes utilizados para construir o MOCHI são relativamente baratos, apoiando o potencial a longo prazo de expansão da tecnologia.
Por enquanto, as perspectivas para o MOCHI continuam promissoras, assim como a visão clara através de uma janela abordada neste material.
Os coautores do estudo incluem Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Elda Abraham e Tevu Lee, todos estudantes de doutorado do Departamento de Física da CU Boulder. Bohdan Seniuk, Jan Bart ten Hove e Vladislav Cherpak, ex-alunos de pós-doutorado da CU Boulder, também contribuíram como coautores.
