Físicos da Universidade do Colorado Boulder desenvolveram um novo material de isolamento para janelas que pode melhorar significativamente a forma como os edifícios gerenciam o calor em todo o mundo. A criação deles funciona de maneira semelhante a uma versão avançada de Bubble Wrap, mas é projetada para desempenho energético em vez de embalagem.
O material é chamado de Isolante Térmico Ópticamente Claro Mesoporoso, ou MOCHI. Ele pode ser fabricado em blocos grossos ou em folhas flexíveis finas que se fixam na superfície interior de janelas padrão. No momento, o MOCHI é produzido apenas em laboratório e ainda não está disponível para os consumidores, mas os pesquisadores relatam que ele é durável e quase completamente transparente.
Devido à sua clareza, o MOCHI mantém uma vista desobstruída, o que o diferencia de muitos outros produtos de isolamento para janelas.
“Para bloquear a troca de calor, você pode colocar muito isolamento em suas paredes, mas as janelas precisam ser transparentes”, disse Ivan Smalyukh, autor sênior do estudo e professor de física na CU Boulder. “Encontrar isolantes que sejam transparentes é realmente desafiador.”
A equipe de pesquisa publicou suas descobertas em 11 de dezembro na revista Science.
Por que a Perda de Calor por Janelas é Importante
Edifícios de todos os tipos, desde casas até grandes torres de escritórios, representam cerca de 40% do consumo global de energia. Grande parte dessa energia é desperdiçada à medida que o calor escapa para o exterior durante o inverno ou entra nos edifícios durante o calor.
Smalyukh e seus colaboradores esperam que o MOCHI possa retardar esse fluxo indesejado de calor.
O novo material é um gel à base de silicone com uma estrutura interna complexa. Ele contém ar aprisionado em poros extremamente finos que são muito mais finos do que um fio de cabelo humano. Esses bolsões microscópicos fazem do MOCHI uma excelente barreira térmica. De fato, uma folha de apenas 5 milímetros de espessura é suficiente para permitir que uma pessoa segure uma chama contra ela com segurança.
“Não importa quais sejam as temperaturas externas, queremos que as pessoas consigam manter temperaturas confortáveis dentro de casa sem desperdiçar energia”, disse Smalyukh, um bolsista do Instituto de Energias Renováveis e Sustentáveis (RASEI) da CU Boulder.
Como o MOCHI Controla Luz e Calor
Smalyukh descreveu a chave para o desempenho do MOCHI como seus bolsões de ar dispostos de forma precisa.
O novo material compartilha semelhanças com aerogéis, que são isolantes bem conhecidos utilizados em diversas indústrias. (A NASA utiliza aerogéis dentro de seus rovers em Marte para manter os eletrônicos aquecidos). Aerogéis também se baseiam em poros preenchidos de ar, mas esses poros geralmente estão dispostos em um padrão aleatório que dispersa a luz. É por isso que os aerogéis frequentemente parecem turbios e às vezes são referidos como “fumaça congelada”.
A equipe da CU Boulder queria um material isolante que mantivesse a clareza enquanto proporcionasse uma forte resistência térmica.
Para fabricar 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 óleo e vinagre se tornam camadas em um molho para salada. As moléculas de silicone na mesma mistura se ligam à superfície desses pequenos 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 cercando uma rede de canais de ar ultra-pequenos. Smalyukh compara o padrão intrincado a um “pesadelo para encanadores”.
O ar representa mais de 90% do volume do MOCHI.
Parando o Calor na Escala Molecular
O calor se propaga através de um gás de forma semelhante a uma reação em cadeia no bilhar. A energia faz com que as moléculas e átomos do gás se movam mais rápido e colidam entre si, transmitindo calor conforme se atingem.
Os poros dentro do MOCHI são tão pequenos que as moléculas de gás não podem colidir livremente. Em vez disso, elas batem repetidamente nas paredes de silicone, o que impede que o calor se espalhe facilmente pelo material.
“As moléculas não têm a chance de colidir livremente umas com as outras e trocar energia”, disse Smalyukh. “Em vez disso, elas colidem com as paredes dos poros.”
Apesar dessa forte capacidade de bloqueio de calor, o MOCHI reflete apenas cerca de 0,2% da luz que chega, permitindo que quase toda a luz visível passe.
Possíveis Usos e Desenvolvimento Futuro
Os pesquisadores imaginam muitas aplicações para um material transparente que efetivamente retém calor. Uma possibilidade é um dispositivo que captura o calor da luz solar e o converte em energia sustentável e de baixo custo.
“Mesmo em um dia parcialmente nublado, você ainda poderia aproveitar muita energia e usá-la para aquecer sua água e o interior do seu edifício”, disse Smalyukh.
Por enquanto, o MOCHI não está pronto para lançamento comercial. Sua produção em laboratório requer um tempo considerável, embora Smalyukh acredite que métodos de fabricação mais eficientes possam ser desenvolvidos. Os componentes utilizados para fazer o MOCHI são relativamente de baixo custo, o que apoia o potencial a longo prazo para escalar essa tecnologia.
Por enquanto, a perspectiva para o MOCHI permanece promissora, assim como a visão clara através de uma janela revestida com esse material.
Co-autores do estudo incluem Amit Bhardwaj, Blaise Fleury, Eldo Abraham e Taewoo Lee, todos associados de pesquisa pós-doutoral no Departamento de Física da CU Boulder. Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove e Vladyslav Cherpak, ex-pesquisadores pós-doutorais na CU Boulder, também contribuíram como co-autores.
