Cientistas criam molécula que guarda energia solar por meses

Pesquisadores desenvolvem sistema com densidade energética de 1,65 megajoules por quilo, quase o dobro das baterias de lítio convencionais

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da UCLA, nos EUA, criaram uma molécula derivada de 2-pirimidona capaz de armazenar energia solar e liberá-la como calor sob demanda. A equipe da química Han P. Nguyen desenvolveu o sistema. A revista Science publicou a pesquisa. A molécula alcança densidade energética de 1,65 megajoules por quilograma. Esse valor é 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, o avanço representa um progresso significativo em relação a sistemas anteriores de armazenamento de energia térmica solar molecular. Isso porque eles nunca alcançaram viabilidade prática devido a limitações de desempenho e segurança. Os cientistas sintetizaram um derivado químico de 2-pirimidona, composto relacionado à timina presente no DNA. A molécula foi projetada para se dobrar em um isômero Dewar quando exposta à luz solar. Depois, ela se desdobra sob comando.
O resultado é um combustível recarregável que absorve energia solar. A energia fica armazenada em ligações moleculares. E, quando necessário, a molécula libera a energia e retorna a um estado relaxado para nova recarga.
A equipe se inspirou nos danos genéticos causados por queimaduras solares. A ideia foi armazenar energia usando reação similar àquela que permite à luz ultravioleta danificar o DNA. Quando uma pessoa permanece exposta ao sol por tempo prolongado, a luz ultravioleta de alta energia pode fazer com que bases adjacentes no DNA (timina) se liguem. Essa lesão, quando exposta a mais luz ultravioleta, se torce em uma forma chamada isômero Dewar. Na biologia, isso causa dobras na espiral de dupla hélice do DNA que interrompem a cópia do DNA. O processo pode levar a mutações ou câncer. A evolução moldou uma enzima específica chamada fotoliase para caçar essas lesões e revertê-las às suas formas seguras e estáveis. Os pesquisadores perceberam que o isômero Dewar é essencialmente uma bateria molecular. Esse efeito de reversão libera muito calor, exatamente o que a equipe de Nguyen procurava.

Como funciona o sistema de armazenamento
O sistema funciona através de painéis no telhado que capturam luz solar. O combustível circula pelos painéis antes do armazenamento em tanque no porão. Quando necessário, o combustível é bombeado para uma câmara de reação com catalisador ácido que desencadeia a liberação de energia. Através de um trocador de calor, essa energia aquece a água no sistema de aquecimento central padrão.
A molécula de pirimidona, ao absorver luz, se torce em uma estrutura bicíclica fundida. Essa estrutura contém dois anéis diferentes de quatro membros: 1,2-dihidroazete e diazetidina. Anéis de quatro membros estão sob imensa tensão estrutural. Ao fundi-los, os pesquisadores criaram uma molécula que busca retornar ao seu estado relaxado. A molécula libera energia nesse processo.

Desempenho superior a sistemas anteriores
Sistemas de armazenamento de energia térmica solar molecular (ou MOST) são considerados promissores há décadas. Porém, nunca alcançaram aplicação prática. Sistemas MOST anteriores apresentaram desempenho insatisfatório. As moléculas não armazenavam energia suficiente, degradavam-se rapidamente ou exigiam solventes tóxicos que as tornavam impraticáveis.
O norbornadieno, um dos candidatos mais estudados, atinge cerca de 0,97 megajoules por quilograma. A azaborinina alcança apenas 0,65 megajoules por quilograma. Em comparação, o óleo de aquecimento, por exemplo, possui cerca de 40 megajoules por quilo de densidade energética.

Durabilidade e estabilidade do combustível
Os isômeros Dewar das pirimidinas apresentaram meia-vida de até 481 dias em temperatura ambiente para alguns derivados. Os cálculos indicam que o combustível poderia ser carregado no calor de julho e permaneceria totalmente carregado quando necessário para aquecer uma residência em janeiro. O sistema foi submetido a 20 ciclos de carga-descarga com degradação negligenciável. A equipe de Nguyen abordou o problema dos solventes projetando uma versão de sua molécula que é líquida à temperatura ambiente. Portanto, não precisa de solvente. Isso simplificou consideravelmente as operações, pois o combustível líquido poderia ser bombeado através de um coletor solar para carregá-lo e armazená-lo em um tanque.
Diferentemente de muitas moléculas orgânicas que são incompatíveis com água, o sistema de Nguyen é compatível com ambientes aquosos. Isso significa que, se um cano vazar, não haverá derramamento de fluidos tóxicos como tolueno pela casa. Além disso, os pesquisadores demonstraram que a molécula poderia funcionar em água. Sua liberação de energia era intensa o suficiente para fervê-la.

Limitações e desafios técnicos
As moléculas de pirimidona absorvem luz apenas na faixa ultravioleta A e ultravioleta B, em torno de 300-310 nanômetros. Ou seja, isso representa cerca de cinco por cento do espectro solar total. A maior parte da energia do Sol, a luz visível e o infravermelho, passa diretamente pelas moléculas sem carregá-las. O rendimento quântico do sistema está na casa dos dígitos únicos. Os pesquisadores levantam a hipótese de que a molécula tem um vazamento rápido. Ou seja, um caminho de decaimento não radiativo onde a molécula excitada dissipa a energia como calor imediatamente, em vez de se torcer para a forma de armazenamento.
Porém, os pesquisadores reconhecem que, nos experimentos, utilizaram um catalisador ácido misturado diretamente ao material de armazenamento. A equipe admite que em um futuro dispositivo de circuito fechado, isso exigiria uma etapa de neutralização. Isso porque essa reação elimina a acidez após a liberação do calor. A menos que os produtos da reação possam ser purificados, isso reduzirá a densidade energética do sistema. Por outro lado, os cientistas afirmam no artigo que o problema da separação do ácido do combustível poderia ser resolvido em um sistema prático através da mudança para um catalisador diferente.

Próximos passos da pesquisa
O próximo desafio para a equipe consiste em solucionar o vazamento de energia que ocorre quando parte da energia é liberada como calor imediatamente, em vez de se converter na forma de armazenamento. Os cientistas sugerem no artigo que, em uma configuração hipotética, o combustível fluiria através de uma superfície sólida funcionalizada com ácido para liberar calor. Assim, isso eliminaria a necessidade de neutralização posterior.
Porém, para viabilizar o uso de sistemas MOST no aquecimento de residências reais, serão necessárias moléculas que absorvam muito mais do espectro de luz. Essas moléculas também precisarão se converter ao estado ativado com maior eficiência.

Contexto energético global
Quase metade da demanda global de energia destina-se ao aquecimento. A queima de combustíveis fósseis como gás natural, óleo e carvão, por exemplo, atendem dois terços dessa demanda. Além disso, a humanidade se tornou eficiente em armazenar eletricidade solar em baterias de íons de lítio. Porém, não possui a mesma eficiência para armazenar calor. Assim, para armazenar calor por dias, semanas ou meses, é necessário capturar a energia nas ligações de uma molécula. Essa molécula deve posteriormente liberar calor sob demanda.

Fonte: Giz Brasil