Cientistas criam molécula que guarda energia solar por meses

Cientistas desenvolvem molécula para armazenamento de energia solar

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da UCLA, nos EUA, criaram uma molécula derivada de 2-pirimidona que tem a capacidade de armazenar energia solar e liberá-la como calor sob demanda. O trabalho foi liderado pela química Han P. Nguyen e publicado na revista Science.

A nova molécula atinge uma densidade energética de 1,65 megajoules por quilograma, quase o dobro da capacidade das baterias de íons de lítio, que normalmente armazenam menos de um megajoule por quilograma.

Segundo o site Ars Technica, esta inovação representa um avanço significativo em relação a sistemas anteriores de armazenamento de energia térmica solar molecular, que enfrentavam limitações de desempenho e segurança.

Estrutura e funcionamento da molécula

A equipe sintetizou um derivado químico de 2-pirimidona, um composto semelhante à timina do DNA. A molécula foi projetada para se transformar em um isômero Dewar quando exposta à luz solar, e então se desdobra sob comando.

Esse processo resulta em um combustível recarregável que absorve energia solar e a armazena em ligações moleculares. Quando necessário, a molécula libera essa energia e retorna a um estado relaxado para nova recarga.

Os pesquisadores se inspiraram em danos genéticos provocados por queimaduras solares, buscando uma forma de armazenar energia de maneira semelhante ao que ocorre na luz ultravioleta que danifica o DNA.

Sistema de armazenamento e eficiência

O sistema opera com painéis solares que capturam a luz, permitindo que o combustível circule antes de ser armazenado em um tanque. Quando necessário, ele é bombeado para uma câmara de reação com um catalisador ácido, que desencadeia a liberação de energia. Essa energia é então transferida através de um trocador de calor para aquecer a água em sistemas de aquecimento central.

A molécula, ao absorver luz, se transforma em uma estrutura bicíclica fundida, que contém dois anéis de quatro membros. Essa estrutura é submetida a uma tensão imensa, levando a uma liberação de energia quando a molécula busca retornar ao seu estado relaxado.

Comparação com sistemas anteriores

Sistemas de armazenamento de energia térmica solar molecular (ou MOST) têm sido considerados promissores, mas nunca conseguiram alcançar aplicações práticas. Sistemas anteriores enfrentaram problemas como desempenho insatisfatório e a necessidade de solventes tóxicos.

Candidatos como norbornadieno e azaborinina apresentaram densidades energéticas inferiores, alcançando aproximadamente 0,97 megajoules por quilograma e 0,65 megajoules por quilograma, respectivamente. Em contraste, o óleo de aquecimento possui cerca de 40 megajoules por quilo.

Durabilidade e desafios

Os isômeros Dewar das pirimidinas demonstraram meia-vida de até 481 dias em temperatura ambiente, sugerindo que o combustível pode ser carregado no calor de julho e ainda estar totalmente carregado em janeiro.

A equipe projetou uma versão da molécula que é líquida à temperatura ambiente, eliminando a necessidade de solventes, o que simplifica as operações. Além disso, o sistema é compatível com ambientes aquosos, evitando o risco de vazamentos de fluidos tóxicos.

No entanto, as moléculas de pirimidona absorvem luz apenas nas faixas ultravioleta A e ultravioleta B, representando cerca de cinco por cento do espectro solar total. Isso limita o rendimento quântico do sistema e indica a necessidade de melhorias.

Futuras direções

Os pesquisadores reconhecem a necessidade de resolver o problema do vazamento de energia, onde parte da energia é liberada como calor antes de ser convertida em armazenamento. Eles propõem que, em uma configuração futura, o combustível poderia fluir através de uma superfície sólida para liberar calor de forma mais eficiente.

A viabilidade de sistemas MOST para aquecimento residencial dependerá do desenvolvimento de moléculas que possam absorver uma faixa mais ampla do espectro de luz e converter-se em estados ativados com maior eficiência.

Com quase metade da demanda global de energia destinada ao aquecimento, a pesquisa sobre armazenamento térmico solar é crucial para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e aumentar a eficiência energética.