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Pesquisadores de Yale identificaram moluscos gigantes, com suas estruturas fotossintéticas únicas e capacidades de dispersão de luz, como um modelo potencial para melhorar a eficiência do painel solar. Esses moluscos, que prosperam na luz solar intensa dos recifes de corais tropicais, têm uma eficiência quântica que supera em muito as tecnologias solares atuais. O estudo destaca a importância da biodiversidade na inspiração de tecnologia sustentável e sugere que futuros painéis solares podem incorporar mecanismos biológicos semelhantes. Crédito: SciTechDaily.com
Um estudo recente da pesquisadora de Yale Alison Sweeney sugere que os moluscos gigantes no Pacífico Ocidental podem ser o sistema de energia solar mais eficiente do mundo.
De acordo com um novo estudo liderado por Yale, projetistas de painéis solares e biorrefinarias podem obter informações valiosas dos moluscos gigantes iridescentes encontrados perto de recifes de corais tropicais.
Isso ocorre porque os moluscos gigantes têm geometrias precisas — colunas verticais dinâmicas de receptores fotossintéticos cobertas por uma fina camada de dispersão de luz — o que pode torná-los os sistemas de energia solar mais eficientes da Terra.
“É contraintuitivo para muitas pessoas, porque as amêijoas operam sob luz solar intensa, mas na verdade elas são muito escuras por dentro”, disse Alison Sweeney, professora associada de física e de ecologia e biologia evolutiva na Faculdade de Artes e Ciências de Yale. “A verdade é que as amêijoas são mais eficientes na conversão de energia solar do que qualquer tecnologia de painel solar existente.”
No novo estudo, publicado na revista PRX: Energiauma equipe de pesquisa liderada por Sweeney apresenta um modelo analítico para determinar a eficiência máxima de sistemas fotossintéticos com base na geometria, movimento e características de dispersão de luz de moluscos gigantes. É o mais recente de uma série de estudos de pesquisa do laboratório de Sweeney que destacam mecanismos biológicos do mundo natural que podem inspirar novos materiais e designs sustentáveis.
Potencial solar de amêijoas gigantes
Neste caso, os pesquisadores analisaram especificamente o impressionante potencial de energia solar de amêijoas gigantes iridescentes nas águas rasas de Palau, no Pacífico Ocidental.
Os moluscos são fotossimbióticos, com cilindros verticais de algas unicelulares crescendo em sua superfície. As algas absorvem a luz solar — depois que a luz foi espalhada por uma camada de células chamadas iridócitos.
Tanto a geometria das algas quanto a dispersão de luz dos iridócitos são importantes, dizem os pesquisadores. O arranjo das algas em colunas verticais — que as torna paralelas à luz que entra — permite que as algas absorvam a luz solar na taxa mais eficiente. Isso ocorre porque a luz solar foi filtrada e dispersa pela camada de iridócitos, e a luz então envolve uniformemente cada cilindro vertical de algas.
Crédito: Universidade de Yale Escritório de Relações Públicas e Comunicações de Yale
Comportamentos adaptativos aumentam a eficiência
Com base na geometria dos moluscos gigantes, Sweeney e seus colegas desenvolveram um modelo para calcular a eficiência quântica — a capacidade de converter fótons em elétrons. Os pesquisadores também levaram em consideração as flutuações da luz solar, com base em um dia típico nos trópicos com um nascer do sol, intensidade solar ao meio-dia e pôr do sol. A eficiência quântica foi de 42%.
Mas então os pesquisadores adicionaram uma nova ruga: a maneira como as amêijoas gigantes se esticam em reação às mudanças na luz solar. “As amêijoas gostam de se mover e se movimentar ao longo do dia”, disse Sweeney. “Esse alongamento afasta as colunas verticais, efetivamente as tornando mais curtas e largas.”
Com essa nova informação, a eficiência quântica do modelo de molusco saltou para 67%. Em comparação, disse Sweeney, a eficiência quântica de um sistema de folhas verdes em um ambiente tropical é de apenas cerca de 14%.
Uma comparação intrigante, de acordo com o estudo, seriam as florestas de abetos do norte. Os pesquisadores disseram que as florestas de abetos boreais, cercadas por camadas flutuantes de neblina e nuvens, compartilham geometrias e mecanismos de dispersão de luz semelhantes com moluscos gigantes, mas em uma escala muito maior. E sua eficiência quântica é quase idêntica.
“Uma lição disso é o quão importante é considerar a biodiversidade, em grande escala”, disse Sweeney. “Meus colegas e eu continuamos a fazer um brainstorming sobre onde mais na Terra esse nível de eficiência solar pode acontecer. Também é importante reconhecer que só podemos estudar a biodiversidade em lugares onde ela é mantida.”
Ela acrescentou: “Temos uma grande dívida com os palauenses, que atribuem um valor cultural vital aos seus mariscos e recifes e trabalham para mantê-los em perfeita saúde.”
Esses exemplos podem oferecer inspiração e insights para tecnologias de energia sustentável mais eficientes.
“Poderíamos imaginar uma nova geração de painéis solares que cultivam algas, ou painéis solares de plástico baratos feitos de um material elástico”, disse Sweeney.
Referência: “Mecanismo simples para eficiência ótima de uso de luz na fotossíntese inspirado em moluscos gigantes” por Amanda L. Holt, Lincoln F. Rehm e Alison M. Sweeney, 28 de junho de 2024, PRX Energia.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.023014
A primeira autora do estudo é Amanda Holt, uma cientista pesquisadora associada no laboratório de Sweeney. O coautor do estudo é Lincoln Rehm, um palauano-americano e ex-aluno de pós-graduação na Drexel University e pesquisador no Palau International Coral Reef Center, que agora está na National Oceanography and Atmospheric Administration.
A pesquisa foi financiada por uma bolsa da Fundação Packard e pela National Science Foundation.