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Pesquisadores da UC Santa Bárbara criaram uma telha adaptativa que reduz os custos de aquecimento e resfriamento de edifícios usando um motor de cera para alterar as propriedades da superfície com base na temperatura, mostrando economias de energia significativas nos testes iniciais.
Aproximadamente 50% da energia utilizada num edifício típico americano é dedicada ao aquecimento e arrefecimento. Isso representa muito dinheiro gasto, combustível fóssil queimado e coloca pressão sobre a já envelhecida infra-estrutura energética, especialmente durante períodos de temperaturas extremas.
É também um problema que os pesquisadores da UC Santa Bárbara, Charlie Xiao, Elliot Hawkes e Bolin Liao, esperam causar impacto. Dispositivoo trio apresenta uma telha adaptativa que, quando implantada em conjuntos nos telhados, pode reduzir as contas de aquecimento no inverno e de refrigeração no verão, sem a necessidade de eletrônicos.
Como funciona o bloco adaptável
“Ele alterna entre um estado de aquecimento e um estado de resfriamento, dependendo da temperatura do ladrilho”, disse Xiao, principal autor do estudo. “A temperatura alvo é de cerca de 65° F – cerca de 18° C.”
Com cerca de dez centímetros quadrados, este dispositivo termorregulador passivo é uma mistura da experiência de Liao em ciência térmica e do trabalho de Hawkes no design de mecanismos – uma superfície móvel que pode alterar suas propriedades térmicas em resposta a uma variedade de temperaturas. A ideia deste projeto surgiu durante longas viagens entre Santa Bárbara e o norte da Califórnia, há alguns anos.
Desenvolvimento e Funcionalidade do Tile
“Nossos cônjuges estavam em Stanford na época, então estávamos viajando e nos perguntando o que poderíamos fazer juntos”, disse Liao, que, como Hawkes, é professor do Departamento de Engenharia Mecânica da UCSB. Eles então receberam financiamento inicial do California NanoSystems Institute no campus para projetar dispositivos térmicos mecanicamente ajustáveis.
Foi só com a ideia de Xiao de usar um motor de cera que a ideia de telhas adaptativas tomou sua forma final. Com base na mudança no volume da cera em resposta às temperaturas a que é exposta, um motor de cera cria uma pressão que move as peças mecânicas, traduzindo energia térmica em energia mecânica. Os motores de cera são comumente encontrados em vários aparelhos, como máquinas de lavar louça e máquinas de lavar, bem como em aplicações mais especializadas, como na indústria aeroespacial.
No caso do ladrilho, o motor da cera, dependendo do seu estado, pode empurrar ou retrair pistões que fecham ou abrem persianas na superfície do ladrilho. Assim, em temperaturas mais frias, enquanto a cera é sólida, as venezianas são fechadas e planas, expondo uma superfície que absorve a luz solar e minimiza a dissipação de calor através da radiação.
Benefícios e resultados de testes
Mas assim que as temperaturas atingem cerca de 18° C, a cera começa a derreter e a expandir-se, abrindo as persianas e expondo uma superfície que reflete a luz solar e emite calor.
Além disso, durante o processo de fusão ou congelamento, a cera também absorve ou libera grande quantidade de calor, estabilizando ainda mais a temperatura do ladrilho e da construção.
“Portanto, temos um comportamento de comutação muito previsível que funciona dentro de uma faixa muito estreita”, explicou Xiao. De acordo com o artigo dos pesquisadores, os testes demonstraram uma redução no consumo de energia para resfriamento em 3,1x e aquecimento em 2,6x em comparação com dispositivos sem comutação cobertos com revestimentos reflexivos ou absorventes convencionais. Por causa do motor de cera, não são necessários componentes eletrônicos, baterias ou fontes de energia externas para operar o dispositivo e, ao contrário de outras tecnologias semelhantes, ele responde dentro de alguns graus de sua faixa alvo. Além disso, a simplicidade do seu design permite a personalização – diferentes revestimentos térmicos e vários tipos de cera podem ser usados para permitir que o dispositivo opere nas faixas de temperatura desejadas, ao mesmo tempo que se presta à fabricação em massa.
“O dispositivo ainda é uma prova de conceito, mas esperamos que conduza a novas tecnologias que um dia possam ter um impacto positivo nos gastos energéticos dos edifícios”, disse Hawkes.
Referência: “Interruptor radiativo passivamente adaptativo para termorregulação em edifícios” por Charles Xiao, Bolin Liao e Elliot W. Hawkes, 13 de dezembro de 2023, Dispositivo.
DOI: 10.1016/j.device.2023.100186