Cientistas criam molécula que guarda energia solar por meses

Cientistas criam molécula que armazena energia solar por meses

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da UCLA, nos EUA, desenvolveram uma molécula derivada de 2-pirimidona que é capaz de armazenar energia solar e liberá-la como calor sob demanda. O sistema foi criado pela equipe da química Han P. Nguyen e os resultados foram publicados na revista Science.

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

De acordo com o Ars Technica, esse avanço representa um progresso significativo em relação a sistemas anteriores de armazenamento de energia térmica solar molecular, que não alcançaram viabilidade prática devido a limitações de desempenho e segurança.

Os cientistas sintetizaram um derivado químico de 2-pirimidona, um composto relacionado à timina presente no DNA. A molécula foi projetada para se converter em um isômero Dewar quando exposta à luz solar, e retorna ao seu estado original sob comando.

Essa transformação resulta em um combustível recarregável que absorve a energia solar, armazenando-a em ligações moleculares. Quando necessário, a molécula libera a energia armazenada e se reconverte para nova recarga.

A equipe se inspirou nos danos genéticos causados por queimaduras solares, visando armazenar energia por meio de uma reação similar àquela que permite à luz ultravioleta danificar o DNA.

Quando uma pessoa está exposta ao sol por longos períodos, a luz ultravioleta de alta energia pode fazer com que bases adjacentes no DNA se liguem. Essa lesão se torce em uma forma chamada isômero Dewar quando exposta a mais luz ultravioleta.

Na biologia, isso causa dobras na espiral de dupla hélice do DNA, interrompendo a cópia do material genético, o que pode resultar em mutações ou câncer.

A evolução desenvolveu uma enzima específica chamada fotoliase para reparar essas lesões e restaurá-las a formas seguras. Os pesquisadores perceberam que o isômero Dewar funciona essencialmente como uma bateria molecular, liberando calor durante o processo de reversão.

O sistema de armazenamento utiliza painéis solares que capturam luz solar. O combustível circula pelos painéis antes de ser armazenado em um tanque no porão.

Quando necessário, o combustível é bombeado para uma câmara de reação com um catalisador ácido que provoca a liberação de energia. Essa energia aquece a água no sistema de aquecimento central.

A molécula de pirimidona, ao absorver luz, se transforma em uma estrutura bicíclica fundida, composta por dois anéis de quatro membros: 1,2-dihidroazete e diazetidina.

Esses anéis estão sob intensa tensão estrutural. Ao fundi-los, os pesquisadores criaram uma molécula que busca retornar ao seu estado relaxado, liberando energia nesse processo.

Sistemas de armazenamento de energia térmica solar molecular, conhecidos como MOST, são considerados promissores há décadas, mas nunca alcançaram uma aplicação prática devido ao seu desempenho insatisfatório, degradação rápida ou uso de solventes tóxicos.

O norbornadieno, um dos candidatos mais estudados, armazena cerca de 0,97 megajoules por quilograma, enquanto a azaborinina atinge apenas 0,65 megajoules por quilograma. Em comparação, o óleo de aquecimento possui cerca de 40 megajoules por quilograma.

Os isômeros Dewar das pirimidinas demonstraram meia-vida de até 481 dias em temperatura ambiente para alguns derivados. Isso significa que o combustível poderia ser carregado no calor de julho e permanecer completamente carregado até janeiro.

O sistema foi testado em 20 ciclos de carga e descarga, apresentando degradação negligenciável. A equipe de Nguyen também resolveu o problema dos solventes ao projetar uma versão líquida da molécula que dispensa solventes, simplificando a operação.

Esse novo sistema é compatível com ambientes aquosos, evitando problemas de vazamentos de fluidos tóxicos. Além disso, os pesquisadores demonstraram que a molécula pode funcionar em água, liberando energia suficiente para fervê-la.

Entretanto, as moléculas de pirimidona absorvem luz apenas nas faixas ultravioleta A e B, em torno de 300-310 nanômetros, o que representa apenas cerca de 5% do espectro solar total. A maior parte da energia solar, nas faixas visível e infravermelha, passa sem ser capturada.

O rendimento quântico do sistema é baixo, e há indícios de que a molécula apresenta um vazamento rápido, dissipando energia como calor antes de se converter na forma de armazenamento.

Os pesquisadores admitem que, em experimentos, utilizaram um catalisador ácido diretamente no material de armazenamento, o que em um dispositivo de circuito fechado exigiria neutralização após a liberação de calor.

Os cientistas sugerem que, em uma configuração futura, o combustível poderia fluir através de uma superfície funcionalizada com ácido para liberar calor, eliminando a necessidade de neutralização posterior.

Para viabilizar o uso de sistemas MOST no aquecimento de residências, serão necessárias moléculas que absorvam uma maior parte do espectro de luz e que se convertam ao estado ativado de forma mais eficiente.

Quase metade da demanda global de energia é destinada ao aquecimento, com combustíveis fósseis como gás natural, óleo e carvão atendendo a dois terços dessa demanda.

Embora a humanidade tenha se tornado eficiente em armazenar eletricidade solar em baterias de íons de lítio, a mesma eficiência não é observada no armazenamento de calor.

Assim, é essencial capturar energia nas ligações de uma molécula que possa, posteriormente, liberar calor sob demanda, permitindo o armazenamento por dias, semanas ou meses.