Resfriamento Radiativo Combate a Mudança Climática Usando o Espaço como Dissipador de Calor

Urban environments are becoming increasingly sprawling and dense, resulting in more concrete and pavement than ever before.  The problem with that is the amount of heat absorbed by buildings and roads.  Surrounding areas become hotter, climate control systems must work harder, and greenhouse gas emissions skyrocket.  With that in mind, a team of researchers based out of the University of Maryland has come up with a simple but effective solution.  This is a recently developed material dubbed ‘cooling glass’, which can help to mitigate this growing problem and its effect on climate change through radiative cooling.

A Revolução do Resfriamento Radiativo

Battling climate change isn’t just about finding clean energy sources.  It is also about efficiently using the electricity we already create.  In this instance, cooling glass is a breakthrough that leverages the Albedo Effect and radiative cooling to essentially prevent thermal energy from the Sun from being trapped in typical building materials by reflecting it back into the emptiness of Space – a vacuum and limitless heat-sink that sits at a brisk -270ºC.
In its research article, the team states that it,

“…desenvolveu um compósito fotônico aleatório consistindo de uma estrutura de vidro microporoso que apresenta emissão seletiva de LWIR [radiação infravermelha de onda longa] juntamente com alta refletância solar e partículas de óxido de alumínio que dispersam fortemente a luz solar e evitam a densificação da estrutura porosa durante a fabricação.”

The resulting product, or ‘cooling glass’, is said to perform well in a variety of conditions, which, alongside a relatively easy manufacturing process, might just make it viable for large-scale applications in urban environments.

Fonte: www.cera.cool

“Este revestimento de vidro microporoso permite uma queda de temperatura de ~3,5° e 4°C mesmo sob condições de alta umidade (até 80%) durante o meio-dia e à noite, respectivamente.”

In doing so, the paper indicates that a building leveraging cooling glass has the potential to reduce its carbon emissions by as much as 10% annually.  When scaled across urban landscapes, this is significant.
While the idea of leveraging radiative cooling to battling climate change is nothing new, it is the performance and potential scalability of this new product that makes it particular interesting.

O que é um ‘Dissipador de Calor’?

For those wondering, a heat sink is a device or substance that absorbs and dissipates heat from another object using thermal contact (either direct or radiant).  Man-made variants are commonly used in electronics and mechanical systems to manage temperature and prevent overheating.  In the case of cooling glass, it is through radiation into the vacuum of space that this thermal dumping occurs.
Here’s an overview of the science behind heat sinks:

Condução Térmica: O princípio principal por trás de um dissipador de calor é a condução térmica, um processo físico onde o calor é transferido através de um material. Quando um componente que gera calor (como uma CPU em um computador) esquenta, ele transfere seu calor para o dissipador.

Material: Os dissipadores de calor são tipicamente feitos de materiais com alta condutividade térmica, como alumínio ou cobre. Esses materiais transferem o calor eficientemente longe do componente e o espalham por uma área maior.

Design e Área de Superfície: Um aspecto chave do design de um dissipador de calor é sua área de superfície. Muitos dissipadores possuem aletas ou outras estruturas para aumentar sua área de superfície. Isso permite que mais ar entre em contato com o dissipador, aprimorando a dissipação de calor.

Convecção: Ar ou líquido que se movimenta sobre a superfície do dissipador facilita o resfriamento convectivo. No resfriamento passivo, o fluxo de ar natural dissipa o calor, enquanto em sistemas de resfriamento ativo, ventiladores ou bombas são usados para aumentar o fluxo de ar ou líquido, respectivamente, aprimorando o efeito de resfriamento.

Radiação: Os dissipadores de calor também dissipam calor através da radiação. O calor absorvido pelo dissipador é emitido como radiação infravermelha, o que ajuda ainda mais a resfriar o dispositivo.

The effectiveness of a heat sink depends on several factors, including the material’s thermal conductivity, the design (especially the surface area), the ambient temperature, and the flow rate of air or liquid over the heat sink. By efficiently managing thermal energy, heat sinks play a crucial role in the reliability and longevity of electronic and mechanical systems.

O que é ‘Resfriamento Radiativo’?

Meanwhile, radiative cooling is a natural process where objects release heat in the form of infrared radiation. This process already plays a role in nature with the Earth’s energy balance and has important applications in various technologies.
Here’s a closer look at the science behind radiative cooling:

Radiação Infravermelha: Todos os objetos emitem energia na forma de radiação eletromagnética, cuja intensidade depende de sua temperatura. Nas temperaturas tipicamente encontradas na superfície da Terra, essa radiação está principalmente no espectro infravermelho. O resfriamento radiativo ocorre quando um objeto, como a superfície da Terra ou um edifício, emite mais radiação infravermelha do que absorve.

Emissão para o Espaço: Um dos aspectos chave do resfriamento radiativo é a capacidade de certos materiais ou superfícies emitirem calor diretamente para o espaço. Isso é possível porque a atmosfera possui ‘janelas’ específicas que são transparentes a determinados comprimentos de onda da radiação infravermelha, permitindo que essa energia passe e escape para o espaço.

Resfriamento Diurno vs. Noturno: O resfriamento radiativo é mais eficaz à noite, pois durante o dia, a absorção da radiação solar tende a compensar o efeito de resfriamento. À noite, sem a entrada de energia solar, as superfícies podem esfriar emitindo radiação infravermelha de forma mais eficaz.

Relação com o Efeito Albedo: O efeito albedo diz respeito principalmente à reflexão da luz solar visível, enquanto o resfriamento radiativo trata da emissão de radiação infravermelha. No entanto, eles estão relacionados em termos de balanço energético. Uma superfície com alto albedo reflete mais radiação solar, absorvendo menos calor durante o dia. Isso pode melhorar o resfriamento radiativo à noite, pois há menos calor absorvido a ser reemitido. Por outro lado, uma superfície de baixo albedo aquece mais durante o dia, potencialmente emitindo mais radiação infravermelha se possuir alta emissividade.

Aplicações: O resfriamento radiativo tem aplicações práticas em sistemas de resfriamento passivo, como em edifícios e veículos. Também está sendo explorado para uso em tecnologias sustentáveis, como os painéis de resfriamento discutidos aqui, que podem reduzir a dependência de ar condicionado alimentado por eletricidade.

Radiative cooling is an important natural process that helps regulate temperature by emitting infrared radiation. While distinct from the albedo effect, which involves the reflection of sunlight, both contribute to the thermal dynamics of surfaces and play critical roles in both natural and engineered environmental systems.

Empresas do Setor que Enfrentam a Mudança Climática

For those interested in learning which publicly traded companies are actively developing solutions to battle climate change, consider the following.

*Os números fornecidos abaixo estavam corretos no momento da escrita e estão sujeitos a alterações. Qualquer investidor potencial deve verificar as métricas*

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Gráfico de preços

FuelCell Energy (FCEL ) is a leader in the development and deployment of fuel cell technology. It focuses on designing, manufacturing, operating, and servicing highly efficient and clean fuel cell power plants. Its solutions are aimed at reducing reliance on fossil fuels and lowering carbon emissions, thereby contributing to the battle against climate change. The company’s fuel cells provide a unique combination of clean, reliable, and efficient power generation, making them a valuable part of the transition to sustainable energy.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Gráfico de preços

Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ) operates one of the world’s largest publicly traded, pure-play renewable power platforms. Its portfolio includes hydroelectric, wind, solar, and storage facilities across North America, South America, Europe, and Asia. With a strong commitment to sustainability, Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) focuses on long-term value creation through renewable energy assets, playing a significant role in the global shift toward clean, renewable sources of power to combat climate change.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Gráfico de preços

ChargePoint (CHPT ) Holdings is at the forefront of the electric vehicle revolution, operating one of the most extensive and open EV charging networks. The company provides innovative and accessible charging solutions across multiple sectors, including residential, commercial, and public spaces. By facilitating the adoption of electric vehicles, ChargePoint Holdings is directly contributing to the reduction of greenhouse gas emissions and the shift away from fossil fuel dependence, marking a crucial stride in the fight against climate change.

Empresas Notáveis que Aproveitam o Resfriamento Radiativo

While not publicly traded, there is a particularly noteworthy startup already working to implement and scale the science behind this cooling glass.  In fact, it was founded by the very same researchers behind this breakthrough.  This company is Ceracool.

Ceracool desenvolveu uma ‘tinta de resfriamento radiativo’, que funciona com base no mesmo conceito do vidro refrigerante. A empresa promove sua tinta de resfriamento radiativo como oferecendo “…ar condicionado gratuito ao refletir mais de 95% da irradiância solar e simultaneamente emitir calor para as temperaturas quase próximas ao zero absoluto do espaço profundo através da janela de transparência atmosférica.” O que torna este produto particularmente interessante é que ele pode ser aplicado facilmente a superfícies propensas ao acúmulo térmico (telhados, estradas, etc.) por meio de pulverização ou pincelamento.

Outro exemplo de empresa privada que inova com tecnologia de resfriamento radiativo é a SkyCool Systems.

SkyCool Systems é uma empresa de energia limpa que desenvolve soluções avançadas de resfriamento que aproveitam o resfriamento radiativo. Sua abordagem envolve um material de resfriamento radiativo integrado a um sistema de painéis projetado para melhorar significativamente a eficiência dos sistemas de resfriamento baseados em compressão de vapor. Assim como a Ceracool, o trabalho pioneiro da SkyCool Systems neste campo representa um passo promissor na solução dos desafios de resfriamento do mundo, oferecendo benefícios ambientais e economia de custos energéticos.

Considerações Finais

At the end of the day, efforts surrounding climate change need to extend beyond solely tapping into sustainable energy sources.  While this is obviously a vital and important approach, it is essentially akin to juggling with one hand.  Rather, we need solutions that also address inefficiencies in our power consumption – which is exactly what radiative cooling products are about.  In an illuminating TedTalk from Aaswath Raman, he touched on the importance of addressing a potential feedback loop resulting from our cooling needs, and how radiative cooling may help.

Combinado com outras inovações como células fotovoltaicas micrométricas de contato traseiro, será interessante observar os benefícios resultantes das iniciativas empreendidas por empresas como a Ceracool nos próximos anos.