Nova cerâmica de resfriamento pode melhorar a eficiência energética do setor de construção e ajudar a combater o aquecimento global

Um avanço significativo no desenvolvimento de um material de resfriamento radiativo passivo (PRC) foi anunciado por pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU). As descobertas foram Publicados no diário Ciência em um artigo intitulado “Cerâmica de resfriamento radiativo passivo hierarquicamente estruturada com alta refletividade solar.”

O material, conhecido como cerâmica de resfriamento, alcançou propriedades ópticas de alto desempenho para geração de resfriamento sem energia e sem refrigerante. Sua relação custo-benefício, durabilidade e versatilidade o tornam altamente adequado para comercialização em inúmeras aplicações, principalmente na construção civil.

Ao reduzir a carga térmica dos edifícios e proporcionar um desempenho de refrigeração estável, mesmo em diversas condições climáticas e em todos os climas, a cerâmica de resfriamento aumenta a eficiência energética e pode combater o aquecimento global.

A RPC é considerada uma das tecnologias de refrigeração verde mais promissoras para conter a crescente demanda por refrigeração espacial, reduzir a poluição ambiental e combater o aquecimento global, de acordo com o professor Edwin Tso Chi-yan, professor associado da Escola de Energia e Meio Ambiente (SEE) da CityU, um dos autores correspondentes do artigo.

No entanto, a actual RPC que utiliza estruturas nanofotónicas é limitada pelo seu elevado custo e pela fraca compatibilidade com as utilizações finais existentes, enquanto as alternativas fotónicas poliméricas carecem de resistência às intempéries e de reflexão solar eficaz.

Propriedades ópticas e aplicabilidade aprimoradas

“Mas nossa cerâmica de resfriamento atinge propriedades ópticas avançadas e tem aplicabilidade robusta”, disse o professor Tso. “A cor, a resistência às intempéries, a robustez mecânica e a capacidade de diminuir o efeito Leidenfrost – um fenômeno que impede a transferência de calor e torna ineficaz o resfriamento do líquido na superfície quente – são características essenciais que garantem a natureza durável e versátil da cerâmica de resfriamento.”

A extraordinária singularidade da cerâmica de resfriamento reside na sua estrutura hierarquicamente porosa como um material cerâmico a granel, que é facilmente fabricado usando materiais inorgânicos altamente acessíveis, como a alumina, através de um processo simples de duas etapas, envolvendo inversão de fase e sinterização. Nenhum equipamento delicado ou materiais caros são necessários, tornando a fabricação escalonável de cerâmicas de resfriamento altamente viável.

As propriedades ópticas determinam o desempenho de resfriamento dos materiais PRC em duas faixas de comprimento de onda: faixa solar (0,25–2,5 µm) e faixa do infravermelho médio (8–13 µm). O resfriamento eficiente requer alta refletividade na primeira faixa para minimizar o ganho de calor solar e alta emissividade na última faixa para maximizar a dissipação de calor radiativo. Devido ao alto bandgap da alumina, a cerâmica de resfriamento mantém a absorção solar ao mínimo.

Além disso, ao imitar a bio-brancura do besouro Cyphochilus e otimizar a estrutura porosa com base na dispersão de Mie, a cerâmica de resfriamento dispersa eficientemente quase todo o comprimento de onda da luz solar, resultando em uma refletividade solar quase ideal de 99,6% (um valor alto registrado refletividade solar) e atinge uma alta emissão térmica no infravermelho médio de 96,5%. Essas propriedades ópticas avançadas superam as dos materiais de última geração.

“A cerâmica de resfriamento é feita de alumina, o que proporciona a degradação desejada da resistência UV, que é uma preocupação típica da maioria dos projetos de PRC à base de polímeros. Ela também exibe excelente resistência ao fogo, suportando temperaturas superiores a 1.000°C, o que supera as capacidades da maioria materiais PRC à base de polímero ou à base de metal”, disse o professor Tso.

Excelente resistência às intempéries

Além do seu excepcional desempenho óptico, a cerâmica de resfriamento apresenta excelente resistência às intempéries, estabilidade química e resistência mecânica, tornando-a ideal para aplicações externas de longo prazo.

Em temperaturas extremamente altas, a cerâmica de resfriamento apresenta superhidrofilicidade, permitindo o espalhamento imediato das gotas e facilitando a rápida impregnação das gotas devido à sua estrutura porosa interligada. Esta característica superhidrofílica inibe o efeito Leidenfrost que impede a evaporação, comumente encontrado em materiais tradicionais de envolvente de edifícios, e permite um resfriamento evaporativo eficiente.

O efeito Leidenfrost é um fenômeno que ocorre quando um líquido entra em contato com uma superfície significativamente mais quente que seu ponto de ebulição. Em vez de ferver imediatamente, o líquido forma uma camada de vapor que o isola do contato direto com a superfície. Essa camada de vapor reduz a taxa de transferência de calor e torna ineficaz o resfriamento do líquido na superfície quente, fazendo com que o líquido levite e deslize pela superfície.

“A beleza da cerâmica de resfriamento é que ela atende aos requisitos tanto para PRC de alto desempenho quanto para aplicações em ambientes da vida real”, disse o professor Tso, acrescentando que a cerâmica de resfriamento pode ser colorida com um design de camada dupla, atendendo aos requisitos estéticos. também.

“Nossa experiência descobriu que a aplicação da cerâmica de resfriamento no telhado de uma casa pode gerar mais de 20% de eletricidade para resfriamento de ambientes, o que confirma o grande potencial da cerâmica de resfriamento na redução da dependência das pessoas em estratégias tradicionais de resfriamento ativo e fornece uma solução sustentável para evitar a rede elétrica. sobrecarga, emissões de gases de efeito estufa e ilhas de calor urbanas”, disse o professor Tso.

Com base nessas descobertas, o professor Tso disse que a equipe de pesquisa pretende avançar em novas estratégias de gerenciamento térmico passivo. O seu objectivo é explorar a aplicação destas estratégias para melhorar a eficiência energética, promover a sustentabilidade e aumentar a acessibilidade e aplicabilidade das tecnologias da RPC em vários sectores, incluindo têxteis, sistemas energéticos e transportes.

O professor Wang Zuankai, professor adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU e vice-presidente associado (Pesquisa e Inovação) da Universidade Politécnica de Hong Kong, é o outro autor correspondente. O primeiro autor, Lin Kaixin, e o segundo autor, Chen Siru, são ambos Ph.D. alunos supervisionados pelo Professor Tso na Escola de Energia e Meio Ambiente da CityU.