Enquanto o Sol brilhava e aquecia o carnaval brasileiro, o bloco dos cientistas vivia aquela que poderia passar a ser conhecida como a Semana das Células Solares.

Não apenas foi inventado um novo tipo de célula solar de altíssima eficiência, como as células fotovoltaicas atualmente em produção comercial bateram recordes na conversão da luz do Sol em eletricidade.

Recorde mundial de eficiência

Os avanços começaram pelas células solares fotovoltaicas, que podem ser compradas no comércio, prometendo impactos diretos no mercado.

À esquerda, a célula solar vendida hoje no comércio. À direita, a nova célula solar que acaba de bater o recorde mundial de eficiência. [Imagem: Mitsubishi]

A empresa japonesa Mitsubishi anunciou ter quebrado dois de seus próprios recordes mundiais em células solares fotovoltaicas feitas de silício policristalino – o tipo tradicional de células solares que, devido à sua alta eficiência, são as mais utilizadas hoje no mercado.

O primeiro desses recordes marca a elevação da eficiência na conversão fotoelétrica – a capacidade de converter a luz do Sol em eletricidade – para 19,3%, usando pastilhas de silício policristalino de 100 centímetros quadrados, uma dimensão prática do ponto de vista industrial. As células policristalinas propriamente ditas, construídas sobre a pastilhas, medem 15 cm x 15 cm x 200 micrômetros de espessura.

O segundo recorde mundial foi alcançado usando a mesma tecnologia de redução das perdas resistivas no interior das células, mas usando células ultra finas, medindo 15 cm x 15 cm x 100 micrômetros de espessura, que alcançaram uma eficiência de 18,1%. Tão finas quanto uma folha de papel, estas células solares começam a competir com as orgânicas no quesito flexibilidade.

Estas células solares de película fina estão ganhando importância porque utilizam apenas 1% do silício necessário para fabricar uma célula fotovoltaica tradicional. Sua eficiência ligeiramente menor é mais do que compensada pela grande redução nos seus custos de fabricação.

A Mitsubishi anunciou que os dois avanços serão incorporados imediatamente em suas células solares comerciais.

Células solares híbridas

Praticamente no mesmo dia foi anunciado um avanço em um tipo de célula solar que está prestes a chegar ao mercado.

Os cientistas usaram pontos quânticos, nanopartículas que medem entre dois e quatro nanômetros. Em princípio, estas células solares híbridas poderão ser aplicadas como uma espécie de spray sobre as superfícies. [Imagem: Uni-Freiburg]

Uma equipe da Universidade de Freiburg, na Alemanha, desenvolveu uma nova técnica para tratar superfícies feitas com nanopartículas. De um ponto de vista teórico, a técnica poderá ser usada em vários tipos de nanopartículas, permitindo a construção de estruturas muito precisas.

De um ponto de vista prático, contudo, o método já se mostrou excepcional para as células solares híbridas, um tipo de célula solar formada por uma camada de nanopartículas inorgânicas e um polímero orgânico.

As células solares orgânicas são muito promissoras porque podem ser fabricadas por técnicas de impressão sobre plástico, o que as torna potencialmente muito baratas. Mas, até agora, sua eficiência era de apenas 1%. A nova técnica elevou essa eficiência para 1,8%, quase o dobro do que havia sido conseguido até então.

Nesta pesquisa, os cientistas usaram pontos quânticos, nanopartículas que medem entre dois e quatro nanômetros. Em princípio, células solares híbridas, como estas feitas com pontos quânticos, poderão ser aplicadas como uma espécie de spraysobre as superfícies.

O recorde atual de eficiência entre as células solares orgânicas puras é de 7%.

Célula solar de nanofios

Já os pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, inventaram um tipo totalmente novo de célula solar que, apesar de estar nos seus primeiros estágios no laboratório, surgiu com um futuro extremamente promissor.

Diagrama esquemático dos elementos que capturam a luz para otimizar a conversão da luz do Sol em eletricidade. [Imagem: Caltech/Michael Kelzenberg]

A nova célula solar é flexível como as células solares orgânicas, gasta uma quantidade do caro silício cristalino menor do que as células solares de película fina e, mais importante de tudo, possui uma eficiência na conversão fótons-elétrons que fica entre 90 e 100%.

"Estas células solares ultrapassaram, pela primeira vez, o limite tradicional dos materiais que capturam a luz," comemora Harry Atwater, coordenador da pesquisa.

O limite de captura de luz de um material estabelece a quantidade de luz que o material é capaz de absorver – um material teórico, completamente preto, que não reflita nenhum fóton, terá uma captura de luz de 100%.

Enfileirando fios de silício lado a lado, os pesquisadores atingiram uma capacidade de absorção da luz solar incidente de 85%. Quando os fios são projetados para absorver um único comprimento de onda, a eficiência alcança 96%, superando qualquer material já fabricado até hoje para capturar a luz.

"Muitos materiais podem absorver a luz muito bem, mas não são capazes de gerar eletricidade, como acontece com as tintas pretas, por exemplo," explica o pesquisador. "O que é mais importante em uma célula solar é se essa absorção resulta na criação de portadoras de carga [elétrica]."

Cada fio usado na construção da nova célula solar é, individualmente, uma célula solar com eficiência quântica quase perfeita, sendo capaz de transformar mais de 90% dos fótons que incidem sobre eles em elétrons.

Micrografia da estrutura de fios de silício incorporados em uma matriz de polímeros. [Imagem: Kelzenberg et al./Nature Materials]

Quando são usados para construir estruturas maiores, sua eficiência fica ainda maior porque sua interação aprisiona os fótons não convertidos inicialmente – ao ricochetear entre os fios, esses fótons acabam gerando eletricidade também.

Cada fio de silício mede entre 30 e 100 micrômetros de comprimento e 1 micrômetro de diâmetro. Como são postos lado a lado, a espessura total da célula solar é a mesma dos fios – lembre-se que a célula solar "ultra fina" da Mitsubishi, vista acima, é 100 vez mais grossa.

Em termos de área ou de volume, contudo, apenas 2% da nova célula solar é feita de silício, sendo os restantes 98% compostos por um polímero – o que coloca esta nova célula solar também na categoria das orgânicas (que possuem carbono em sua composição).

O próximo passa da pesquisa é elevar a tensão gerada pelas células solares e o tamanho total da célula solar. Em escala de laboratório, elas não superam 1 centímetro quadrado. Para atingirem a escala comercial, terão que alcançar áreas pelo menos 100 vezes maiores.

Célula solar da IBM

A IBM também anunciou que seus cientistas desenvolveram um novo tipo de célula solar, sem o caráter revolucionário das células de fios de silício do pessoal do Caltech, mas na qual a camada principal, que absorve a luz para a conversão em eletricidade, é composta exclusivamente por elementos de baixo custo.

Formada por cobre, estanho e zinco, mais enxofre e/ou selênio, a nova célula solar da IBM já estreia com um rendimento de 9,6%, superior até às células solares orgânicas puras. [Imagem: Todorov et al./Advanced Materials]

Formada por cobre, estanho e zinco, mais enxofre e/ou selênio, a nova célula solar já estreia com um rendimento de 9,6%, superior até às células solares orgânicas puras.

Embora possa ser enquadrada na mesma categoria das células solares de película fina, em termos de produto final, a nova célula foi criada utilizando um conjunto de técnicas de manipulação de nanopartículas e de processamento em meio líquido que é muito mais barato de se fazer industrialmente do que os métodos atuais de deposição a vácuo.

As células solares de película fina disponíveis atualmente são feitas principalmente de seleneto de gálio-índio-cobre ou telureto de cádmio – ambos compostos químicos muito caros. Outros pesquisadores já haviam criado células solares sem estes elementos, atingindo rendimentos de até 6,7% – 40% menos do que o agora obtido.

A IBM anunciou também que não pretende fabricar células solares, mas que está aberta a negociações com eventuais parceiros para transferência da tecnologia.

Inocentes úteis

A cada hora, a Terra recebe mais energia da luz do Sol do que o planeta inteiro consome em um ano. Ainda assim, a energia solar fornece menos de 0,1% da eletricidade consumida no mundo.

Embora as tão esperadas melhorias nas células solares estejam vindo em incrementos pequenos, estas inovações em bloco comprovam que o campo está em verdadeira efervescência.

O que é importante, porque o maior empecilho hoje alegado contra o uso intensivo da energia solar é o custo. Mas a comparação de custos aqui é a mais estreita possível, em termos unicamente de unidades monetárias por quilowatt gerado, sem qualquer consideração com o balanço ambiental.

Enquanto isto, os ambientalistas parecem ter mordido a isca daqueles que não desejam grandes mudanças na matriz energética mundial. Embora se achem revolucionários ao propor formas radicais de mitigação dos gases de efeito estufa, eles se tornaram inocentes úteis, não percebendo que, ao concentrar suas ações unicamente nas formas de lidar com o carbono emitido, eles estão de fato validando e endossando a matriz emissora de carbono.

Talvez esteja na hora de dar menos importância a embates dogmáticos, que geram só calor e nenhuma luz, e assumir que queremos uma nova matriz energética para o próximo milênio não apenas porque nossos "relatórios sagrados" provam isto ou aquilo, com tal ou qual probabilidade de acerto, mas porque temos o direito de achar que o que vimos fazendo com o planeta até agora não é adequado e queremos mudar. E estamos dispostos a pagar o preço por isto – ou não estamos?

Às vésperas de nos depararmos com outros planetas semelhantes à Terra, os cientistas continuam usando um conceito absolutamente impreciso.

"Vida como a conhecemos" é a expressão utilizada para se referir à possibilidade de encontrar vida em outros planetas.

À parte o fato de conhecermos muito pouco sobre a vida em si, o problema maior é que a vida presente na Terra abrange um leque tão grande de possibilidades que está se tornando cada vez mais difícil estabelecer fronteiras que delimitem as condições ambientais necessárias para sustentar a variedade de organismo vivos conhecidos.

A mais recente demonstração disso veio do experimentoExpose-E, feito pela Agência Espacial Europeia (ESA). Depois dele, talvez fosse melhor os cientistas passarem a usar o termo, bem mais razoável, "vida até onde a conhecemos."

Vida no espaço

O espaço sempre foi considerado um ambiente absolutamente hostil para os seres vivos. Para os seres humanos certamente o é.

No entanto, os pequenos organismos da experiência Expose-E, colocados na parte externa do laboratório europeu Columbus, na Estação Espacial Internacional, sobreviveram à radiação solar ultravioleta, aos raios cósmicos, ao vácuo e às variações extremas de temperatura durante 18 meses. Um certo tipo de liquen pareceu mesmo estar especialmente feliz no espaço exterior!

Na Terra, pode-se encontrar organismos vivos praticamente em qualquer lugar, desde as profundezas dos oceanos até o cume das montanhas mais altas, dos desertos extremamente secos às geleiras mais frias, das confortáveis zonas temperadas até o ambiente sem oxigênio e altamente corrosivo dos vulcões submarinos. Literalmente, há vida em toda parte – veja Bactérias vivem sem oxigênio e sem luz do Sol.

Análises recentes em amostras de meteoritos marcianos apontam indícios cada vez mais convincentes de que também terá existido vida no nosso planeta vizinho – veja Meteorito revela um dos segredos da vida. Mas Marte tem sua atmosfera, e gostamos de pensar que a vida – "até onde a conhecemos", pelo menos – só gosta de viver em planetas.

Mas o novo experimento da ESA demonstra que pode haver formas de vida que sobrevivam até mesmo às condições extremas do espaço, por mais inóspitas que elas sejam para um ser humano.

O experimento Expose-E foi instalado no lado de fora do laboratório Columbus, da Estação Espacial Internacional. [Imagem: ESA/NASA]

Astrobiologia

Verificar como é que os organismos terrestres se comportam, e se sobrevivem, às condições do espaço, sempre entusiasmou os cientistas – os animais precederam o homem no espaço, e continuam sendo enviados para lá para novas pesquisas.

O interesse é tamanho que hoje esses esforços têm seu próprio campo de pesquisa, chamado astrobiologia.

"O objetivo é compreender melhor a origem, a evolução e as adaptações da vida e poder acrescentar uma base experimental às recomendações para a proteção planetária", explica René Demets, biólogo da ESA.

A experiência mais recente estava a bordo do Expose-E, levado para a Estação Espacial Internacional (ISS), em Fevereiro de 2008, a bordo do ônibus espacial Atlantis, e trazido de volta pelo Discovery, em Setembro de 2009.

No total, o experimento expôs às condições do espaço 664 amostras biológicas e bioquímicas, durante 18 meses contínuos.

Simulando a atmosfera de Marte

O Expose-E é uma caixa do tamanho de uma mala de viagem, dividida em dois níveis com três tabuleiros de experiências, cada um com quatro espaços quadrados. Dez dessas caixas carregavam diferentes amostras biológicas e bioquímicas, separadas em pequenos compartimentos.

Dois dos três tabuleiros foram expostos diretamente ao vácuo do espaço, enquanto o terceiro continha um gás no seu interior que simulava a fina atmosfera marciana, composta basicamente por dióxido de carbono.

A janela que protegia estas "amostras marcianas" também estava equipada com um filtro óptico que imitava o espectro da radiação do Sol na superfície de Marte.

A experiência estava dividida em dois níveis com amostras similares, de forma que o nível superior esteve exposto à luz solar e o inferior permaneceu à sombra.

Um outro conjunto de experiências, quase idêntico, o Expose-R, ficou dentro da ISS, instalado no segmento russo da Estação, para funcionar como referência.

O liquen Xanthoria elegans pouco se importou com as condições inóspitas do espaço, sobrevivendo durante 18 meses. [Imagem: Wikipedia]

Liquens espaciais

As amostras no interior do Expose-E foram selecionadas por oito equipes científicas internacionais, num projeto coordenado pela Agência Espacial Alemã, a DLR.

Agora, as equipes de cientistas que prepararam as amostras começaram a publicar alguns resultados preliminares dos experimentos.

"Estes liquens de Xanthoria elegans voaram a bordo de Expose-E e são os melhores sobreviventes que conhecemos", explica Demets. Os liquens são organismos macroscópicos formados pela simbiose entre um fungo e um organismo fotossintético, em geral uma alga ou uma cianobactéria.

"Os liquens costumam ser encontrados nos lugares mais extremos da Terra. Quando são colocados num ambiente que não lhes agrada, passam para um estado latente e esperam que as condições melhorem. Devolvidos a um ambiente próprio e com um pouco de água, retornam à vida anterior," explica Demets.

Animais que sobrevivem no espaço

O fator crítico para a "vida como a conhecemos" no espaço é a água: ela vaporiza-se quase instantaneamente no vazio espacial.

Os tardígrados, ou ursos d’água, podem sobreviver sem água por 10 anos e suportar temperaturas entre -272 e +150 graus Celsius. [Imagem: Willow Gabriel/Bob Goldstein]

Só os organismos anidrobióticos, que são secos e capazes de aguentar longos períodos em condições de secura extrema, conseguem sobreviver ao espaço.

Além dos liquens, alguns outros animais e plantas também suportaram o vazio espacial: os ursos d’água ou Tardígrados, as artêmias e as larvas do díptero africano Polypedilum vanderplank são os únicos animais conhecidos capazes de sobreviver ao vazio espacial.

Algumas sementes de plantas também são suficientemente secas para sobreviver a estas condições extremas.

Mutações espaciais

Outros riscos envolvidos na exposição ao espaço são os ciclos de temperaturas extremas e a radiação.

"A radiação é um grande perigo para a vida no espaço", comenta Demets. "Os raios cósmicos são muito energéticos e ionizantes. No entanto, o mais prejudicial é a radiação ultravioleta que recebemos do Sol. Aqui na Terra, a radiação UV-C é usada em aplicações em que é necessário matar bactérias, como a esterilização de instrumentos cirúrgicos."

A longo prazo, os efeitos das partículas de alta energia, dos raios X e da radiação gama são mais importantes, já que destroem o DNA e provocam mutações genéticas.

René Demets, que também participou de um experimento anterior de menor duração, o Biopan, que confirmou a capacidade dos ursos d’água sobreviverem ao espaço. [Imagem: ESA/René Demets]

Panspermia

O fato de os organismos vivos sobreviverem às condições hostis do espaço parece apoiar a teoria da panspermia, que defende que formas de vida disseminam-se de um planeta para outro, ou até mesmo entre sistemas solares.

"As pontas soltas desta teoria estão agora na chegada ao planeta, porque nenhuma forma de vida pode sobreviver a uma reentrada numa atmosfera", explica Demets.

Será mesmo? Antes deste experimento não seria fácil encontrar cientistas que defendessem a sobrevivência desses seres que participaram do Expose-E.

"No entanto, é possível que as condições sejam mais favoráveis no interior de um meteorito. Por este motivo, estamos considerando a possibilidade de realizar uma experiência astrobiológica durante o regresso à Terra," conclui Demets.

A sonda Cassini enviou mais dados que reforçam as suspeitas de que a lua Encélado, de Saturno, abriga um mar subterrâneo sob seu solo gelado – e um mar mais "rico" do que se imaginava.

As primeiras evidências de um mar na lua de Saturno foram publicadas em Junho do ano passado (veja Lua de Saturno pode ter oceano tão salgado quanto os da Terra), mas ainda restaram controvérsias, porque os resultados não foram confirmados por observações feitas com satélites terrestres.

Íons de água

Na última passagem pela Encélado, a sonda detectou moléculas de água com carga negativa na atmosfera do satélite.

Com estes dados, Encélado vem se juntar à Terra, a outra lua de Saturno, Titã, e aos cometas, como os corpos celestes do Sistema Solar que possuem íons com cargas negativas. E não apenas íons de água, mas também de hidrocarbonetos, o que dá novo entusiasmo aos astrobiólogos que procuram por vida fora da Terra.

Os íons negativos de oxigênio foram descobertos na ionosfera da Terra no início da era espacial. Já os íons negativos de água são encontrados na Terra onde quer que haja água em movimento, como em cachoeiras ou nas arrebentações das ondas do mar.

Com isto, os cientistas estão agora muito mais seguros de que Encélado deve conter água em estado líquido. Devido à baixa temperatura da superfície da lua, essa água deve existir na forma de oceanos abaixo da camada perene de gelo que recobre sua superfície.

Não há ondas em Encélado, mas o satélite possui uma região de grande atividade perto do seu polo sul, onde vapor de água e partículas de gelo espirram por rachaduras na superfície e são projetados para o céu a grandes altitudes.

As novas medições, feitas com o espectrômetro CAPS (Cassini Plasma Spectrometer), foram feitas quando a sonda mergulhou na névoa que cerca Encélado em um voo rasante em 2008.

Possibilidades de vida

A Cassini já detectou sódio na névoa que emerge de seus jatos, um indício dos sais dissolvidos que podem ser resultado do encontro de uma massa de água em forma líquida com as rochas abaixo desse possível oceano.

Esta observação anterior havia sido feita com um outro instrumento da sonda espacial, o CDA (Cosmic Dust Analyzer.

"Embora não seja uma surpresa que exista água lá, esses íons de vida curta representam uma evidência extra da água sob a superfície", disse Andrew Coates, da Universidade College London. "E onde há água, carbono e energia, estão presentes alguns dos ingredientes mais importantes para que haja vida," acrescentou.

Hidrocarbonetos

O instrumento CAPS encontrou não apenas íons de água carregados negativamente mas também indícios de hidrocarbonetos carregados negativamente.

Esses íons negativos de hidrocarbonetos são gigantescos, com massas até 13.800 vezes maiores do que a massa de uma molécula de hidrogênio.

Anteriormente, já foram identificados hidrocarbonetos carregados positivamente em Encélado pelo espectrômetro INMS (Ion and Neutral Mass Spectrometer).

Não há ondas em Encélado, mas o satélite possui uma região de grande atividade perto do seu pólo sul, onde vapor de água e partículas de gelo espirram por rachaduras na superfície e são projetados para o céu a grandes altitudes. [Imagem: NASA/JPL/SSI]