One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

O Problema Pegajoso do Sol e a Magia do Sal Seco

Imagine tentar armazenar a energia do sol como você armazena dinheiro em um cofrinho. Quando o sol está brilhando intensamente, você quer capturar o máximo possível desse calor e guardá-lo para um dia chuvoso — ou uma noite nublada. Esta é a grande ideia por trás da Energia Solar Concentrada (CSP). Cientistas usam espelhos gigantes para focar a luz solar em um receptor, aquecendo um líquido especial que flui através de tubos. Esse líquido quente então gira uma turbina para gerar eletricidade, mesmo depois que o sol se põe.

O problema é encontrar o líquido "cofrinho" perfeito. Por muito tempo, os cientistas usaram uma mistura de dois sais comuns (nitrato de sódio e nitrato de potássio) porque são baratos e retêm bem o calor. Mas eles têm algumas falhas irritantes: congelam em temperaturas que são altas demais (tornando difícil o início do funcionamento) e começam a se decompor e apodrecer se ficarem quentes demais, limitando quanto de energia você pode armazenar. Para corrigir isso, pesquisadores tentaram adicionar um terceiro ingrediente: nitrato de magnésio. Isso é como adicionar um tempero secreto a uma sopa para baixar o ponto de congelamento. No entanto, o nitrato de magnésio que eles costumam comprar vem com uma mochila pesada de moléculas de água acopladas a ele (é um "hidrato"). Quando você tenta derreter esse sal úmido, a água causa uma bagunça química, criando uma sujeira corrosiva que estraga a mistura e a torna instável em altas temperaturas. O desafio tem sido: como tirar a água sem quebrar o sal ou fazê-lo explodir?

O Truque da Secagem em Uma Etapa

Neste estudo, uma equipe de pesquisadores da Universidade Normal de Qinghai e outras instituições decidiu enfrentar esse problema do "sal úmido" de frente. Eles queriam criar uma versão superestável e livre de água (anidra) de uma mistura de três sais: nitrato de magnésio, nitrato de sódio e nitrato de potássio. Em vez de comprar o nitrato de magnésio seco (que é caro e difícil de manusear), eles começaram com a versão úmida e barata e descobriram uma maneira inteligente de secá-lo em uma única etapa, diretamente dentro da mistura.

Pense nos cristais de nitrato de magnésio úmidos como esponjas encharcadas de água. Se você apenas jogá-los em um forno quente, a água pode evaporar rápido demais, fazendo com que a esponja se desintegre ou reaja mal com os outros sais. Os pesquisadores projetaram um "cronograma de cozimento" específico para espremer a água suavemente. Eles colocaram o nitrato de magnésio úmido em um recipiente especial e o aqueceram em estágios. Primeiro, aqueceram até 150°C, depois 250°C e, finalmente, 300°C, mantendo-o em cada temperatura por um tempo específico. Eles fizeram isso em um vácuo (um espaço sem ar) ou sob um fluxo de gás para levar embora o vapor de água assim que ele saía do sal. Esse processo de secagem cuidadoso e passo a passo transformou o sal úmido e instável em um pó seco e estável, sem deixar que se transformasse na "sujeira" corrosiva que geralmente acontece.

Depois que o nitrato de magnésio estava seco, eles o misturaram com os outros dois sais para criar sua nova salmoura ternária "MNK". Eles então submeteram essa nova mistura a uma bateria de testes para ver como ela se comportava em comparação com a versão úmida antiga. Eles usaram uma máquina chamada TG-DSC, que é como uma balança superinteligente que também mede o calor. Ela aquece o sal lentamente enquanto pesa para ver se ele perde peso (o que significaria que está se decompondo ou perdendo água) e mede quanta energia é necessária para derretê-lo.

Os resultados foram bastante promissores. O novo sal seco foi um material de armazenamento de calor muito melhor do que o úmido. Primeiro, ele não começou a se decompor até atingir 457,6°C, enquanto a versão úmida começou a se desfazer com apenas 404,1°C. Isso é um grande negócio porque significa que você pode aquecer o sal muito mais, armazenando mais energia sem que ele apodreça. Os pesquisadores descobriram que o sal seco poderia operar com segurança até 450°C, estendendo a "zona de segurança" para as usinas de energia solar.

Segundo, o sal seco derreteu a uma temperatura mais baixa. A mistura úmida precisava chegar a 157,5°C antes de se tornar líquida, mas a versão seca começou a derreter aos 148,2°C. Isso torna mais fácil iniciar o sistema pela manhã. Melhor ainda, quando derreteu, ele absorveu mais energia. O "calor latente de fusão" (a energia que ele absorve enquanto derrete) saltou de 66,61 J·g⁻¹ para o sal úmido para 88,71 J·g⁻¹ para o sal seco. Isso é um aumento significativo na quantidade de "potência de bateria" que o sal possui.

A equipe também verificou se o sal sobreviveria ao ser aquecido e resfriado repetidamente, simulando anos de ciclos de dia e noite. Após aquecer o sal seco a 450°C e deixá-lo esfriar, eles o pesaram. Ele perdeu quase nenhuma massa (apenas cerca de 2,01% após 300 horas em alta temperatura), provando que era muito estável. Em contraste, o sal úmido perdeu muita massa (8,61%) na mesma temperatura porque a água em seu interior estava escapando e o sal estava se decompondo. Eles até procuraram por sinais químicos de problemas, como a presença de um subproduto corrosivo chamado hidroxinitrato de magnésio. Eles encontraram essa substância ruim nas amostras de sal úmido, mas ela estava completamente ausente no sal seco.

O artigo conclui que este método simples de secagem em uma etapa é uma forma viável de produzir sal de alto desempenho para energia solar. Ao remover cuidadosamente a água antes que o sal derreta, eles criaram um material que é mais estável, retém mais calor e pode sobreviver a temperaturas mais altas do que a mistura úmida tradicional. Embora o artigo não afirme que esta seja a solução final para toda a energia solar, sugere que este sal seco específico é um candidato muito forte para tornar o armazenamento de energia solar mais eficiente e confiável.