USP cria simulador solar que pode ser usado na produção de combustíveis limpos

Pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) desenvolveram e testaram um novo simulador solar indoor de alto fluxo, desenhado para otimizar processos térmicos de alta temperatura e aprimorar tecnologias de energia solar concentrada. O trabalho foi feito no Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos e Renováveis (Sisea).

O equipamento foi projetado para simular artificialmente a radiação solar em ambientes controlados. Lâmpadas de xenônio de alta intensidade emitem a luz, que é refletida e concentrada por espelhos parabólicos, gerando um feixe termoluminoso semelhante ao do sol. Dessa forma, é possível realizar os testes sem a necessidade de condições climáticas externas ideais, de céu limpo sem nuvens.

O simulador já está operacional, podendo ser utilizado em diversas aplicações, como reações termoquímicas para produção de hidrogênio e gás de síntese (mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, com alto valor energético), pesquisa de catalisadores para otimizar reações químicas, fundição de metais e outros materiais que demandam temperaturas elevadas e testes em fornos solares para processos industriais.

“O principal objetivo de criar esse ‘sol artificial’ é viabilizar experimentos controlados em ambientes fechados, superando a dependência da radiação solar natural, que está sempre sujeita ao ciclo diurno e a variações climáticas”, conta o pesquisador José Roberto Simões Moreira, professor titular da Poli-USP, coordenador do Sisea e principal responsável pelo trabalho.

As reações ocorrem em um reator termoquímico baseado no conceito de “cavidade negra”, instalada no foco comum dos espelhos refletores, na qual a radiação concentrada é absorvida, podendo atingir temperaturas capazes de superar 2 mil °C. Essas condições são ideais para a realização de reações químicas específicas, como a produção de gás hidrogênio por processo de oxirredução de metais.

Medidas de segurança

Medidas especiais de segurança foram adotadas para garantir a integridade dos operadores. Para evitar riscos de explosão de lâmpadas, uma placa associada a um sistema de resfriamento mantém a temperatura do sistema dentro de uma faixa segura.

Além disso, cada lâmpada é protegida por uma janela de vidro frontal que bloqueia a exposição acidental a emissões ultravioleta e, em caso de explosão, impede que os detritos voem. Um sistema de travamento possibilita a ativação e desativação das fontes de luz externamente à sala de testes. E cada lâmpada é controlada de forma individual, permitindo ajustar a quantidade de irradiação no alvo conforme necessário. Adicionalmente, todo o conjunto está instalado em uma sala dotada de um sistema de intertravamento de forma que, se alguém adentrar na sala durante a operação, todo o conjunto de lâmpadas é desligado. Pois a exposição à radiação térmica concentrada das lâmpadas pode ser fatal, sobretudo nas adjacências do foco principal.

O estudo utilizou técnicas computacionais (método de Monte Carlo) para rastrear os raios, simular o caminho óptico da luz e quantificar a eficiência do sistema. As medições experimentais foram realizadas com um espectrofotômetro e um sensor de fluxo de calor para determinar a potência térmica concentrada e mapear a distribuição.

“O simulador já está em atividade e a próxima etapa é viabilizar reações termoquímicas dentro da cavidade negra. Para tanto, nosso grupo está focado na pesquisa de catalisadores. Além disso, estamos estudando a adaptação da tecnologia para aplicações externas, utilizando diretamente a radiação solar em vez de lâmpadas. Há um grande potencial de aplicações na indústria e na produção de combustíveis limpos, vapor de água e ciclos térmicos de potência”, sublinha Simões.

O trabalho recebeu apoio da Fapesp por meio do projeto “Produção de combustíveis solares a partir de energia solar concentrada”. E uma primeira apresentação dos resultados foi feita no artigo “Novel high-flux indoor solar simulator for high temperature thermal processes” , publicado no periódico Applied Thermal Engineering.