A promessa da energia solar

Uma série de espelhos se focaliza num ponto focal numa “torre energética” de 61 metros. Isso é capaz de gerar calor de mais de 1.000 sóis, atingindo temperaturas de 2300 graus C.

NUMA era de escassez energética, não passou despercebido que o sol é inesgotável fonte de energia, espargindo sua luz e seu calor beneficentes sobre toda a terra habitada. Mantém a terra numa confortável temperatura média. Fornece energia para o crescimento das plantas, e, assim, para toda a vida. Tais benefícios são tão óbvios que muitos os consideram banais.

Mas viemos a depender de outras formas de energia para muitos fins em que não empregamos diretamente a radiação solar. Caso outras fontes energéticas se reduzam ou falhem, seria possível aquecer nossas casas e fábricas com os raios solares? Poderíamos transformar de algum modo os raios do sol para que fornecessem eletricidade para nossas lâmpadas, para que movessem nossos motores, e para nossos rádios e televisores? Poderíamos armazenar a energia solar em tanques, servindo de combustível para nossos carros e aviões?

Tais possibilidades estão agora sendo seriamente consideradas. Em muitos laboratórios, há cientistas que realizam pesquisas básicas sobre modos de utilizar a energia solar. Não resta dúvida de que existe tal potencial. A radiação solar que cai sobre uma área quadrada de apenas 26 quilômetros de cada lado no Arizona, EUA, transporta energia igual à gerada por todas as usinas geradores de eletricidade nos EUA. Quais, então, são os problemas?

O primeiro problema confrontado é que a luz solar é inerentemente difusa. Qualquer coletor de tamanho limitado recebe relativamente pouca energia. Mas mesmo essa energia difusa basta para alguns fins. Edifícios construídos para permitir a entrada da luz solar podem captar bastante calor de forma a poupar grande parte do combustível necessário para seu aquecimento. Pode-se aquecer, em tanques no teto, água suficiente para banhos, para lavar louça, ou para lavar roupas.

Outra limitação inerente à energia solar é que nem sempre se apresenta quando precisamos dela. É desligada ao pôr-do-sol. As nuvens, também, desligam a energia solar. A intensidade da luz solar, o número de horas de luz do dia, e a quantidade de tempo nublado variam, conforme a altitude e as estações. Para muitos fins, a aceitação da energia solar dependerá de encontrarmos meios de estocar a energia enquanto o sol brilha, e usá-la à noite e nos dias nublados.

Um meio simples de estocar a energia solar é aquecer água durante o dia e mantê-la em tanques insulados para ser usada à noite. A água quente pode também circular por radiadores para aquecer a casa. Em mau tempo, tal sistema teria de ser suplementado por outra fonte. Mas, como sistema auxiliar de aquecimento, já está sendo utilizado para reduzir a necessidade de gás ou de eletricidade.

Meios mais sofisticados de utilização da energia solar vão além desta aplicação elementar. Pela concentração dos raios solares, é possível atingir temperaturas muito mais elevadas. Quem já não tentou a experiência de colocar um pedaço de papel sob uma lente de aumento, no foco dos raios solares, e observá-lo começar a arder e transformar-se em chamas? Este princípio é aplicado em grande escala, usando-se espelhos côncavos para concentrar os raios do sol a ponto de se tornarem um calor ofuscantemente branco sobre pequena área, bastante quente para derreter os materiais mais refratários. Em um forno solar assim, no sul da França, uma caldeira montada no ponto focal é usada para gerar eletricidade suprida à rede nacional de energia. O fabricante oferece vender usinas de energia solar com a capacidade de 1.000 quilowatts.

Um sistema mais elaborado desta espécie foi construído próximo de Albuquerque, Novo México, a fim de estudar seu potencial econômico para usinas de energia operacionais. Uma série de espelhos se focalizam num ponto duma “torre energética” de 61 metros. Cada espelho é um quadrado de 1,20 metro de cada lado, e 25 deles são montados num painel quadrado sobre um “helióstato”. À medida que o sol se move através do céu, o helióstato precisa curvar-se em sincronismo com o movimento do sol, a fim de conservar sobre o alvo seu raio refletido. Há 222 de tais helióstatos dispostos num campo triangular ao norte da torre. Um computador guia cada um separadamente, segundo sua distância e direção.

Quando focalizados conjuntamente na torre, toda a luz solar em 0,8 hectare se concentra numa área de cerca de meio metro quadrado. O calor de mais de mil sóis atinge uma temperatura de 2.300 graus C. Nos primeiros testes, os raios dos helióstatos abriram rapidamente um buraco numa placa de aço.

Depois dos testes com uma caldeira de água na torre, planeja-se construir uma usina de energia solar de 10.000 quilowatts, em Barstow, Califórnia, EUA, onde poderá ser ligada à rede energética do sul da Califórnia, talvez já em 1981.

Eletricidade Gerada Pela Luz Solar

No ínterim, outros cientistas se empenham no sentido do alvo de maior alcance, a conversão da luz solar diretamente em eletricidade. Este próprio princípio não é novo. Já por muitos anos utilizamos aparelhos baseados no efeito fotoelétrico. À guisa de exemplo, uma fotocélula numa câmara mostra a correta abertura das lentes a ser usada segundo o brilho do cenário diante dela. A luz gera diminuta corrente elétrica, que move uma agulha num mostrador. A ampliação disto a ponto de se obter uma corrente suficiente para a realização dum trabalho útil é formidável empreendimento mas é um que oferece grandes recompensas.

Como pode a luz gerar eletricidade numa fotocélula? O segredo jaz no uso de um semicondutor. Um elemento que é um bom condutor, como são a maioria dos metais, possui seus elétrons frouxamente ligados aos átomos. Eles se movem livremente para transportar uma corrente. Nos insuladores, os elétrons acham-se rigidamente presos em suas órbitas, e não estão livres para movimentar-se. Os semicondutores são o meio-termo; os elétrons estão presos, mas não tão rigidamente, de modo que basta pequeno empurrão para libertá-los e permitir que se movimentem de um lado para o outro.

O silício puro é um condutor pobre. No entanto, leves quantidades de impurezas o tornam um condutor bem melhor. Por exemplo, um vestígio dum elemento como o arsênico, que possui cinco elétrons externos, um mais do que os quatro do silício, supre elétrons livres ao cristal. Ou um pouco de boro, que só tem três elétrons externos, provoca uma deficiência. Os elétrons que faltam são chamados de buracos. Outro elétron pode facilmente saltar para um buraco dum átomo adjacente, dando-lhe o mesmo efeito como se o buraco se estivesse movendo, e fluindo uma corrente positiva.

O primeiro tipo de silício impuro é chamado de silício dopado do tipo-n, porque possui excessivos elétrons (negativos). O segundo tipo é chamado dopado do tipo-p, porque possui excessivos buracos (positivos). Se estes dois tipos de silício forem colocados face a face, formam uma junção n-p. Os elétrons só fluem numa única direção através desta junção. Esta é a base do transistor, que substituiu as grandes válvulas a vácuo de outrora pelos diminutos chips de silício da atualidade.

Suponhamos agora que tomemos duas folhas, uma de cada silício n e p, e as coloquemos juntas. Ao invés do chip de transistor, temos agora uma célula voltaica solar. Se esta for exposta ao sol, a energia nos fótons, os bolsões individuais de luz solar, é absorvida e serve para liberar elétrons dos átomos de silício. Se os dois lados da célula forem ligados, para formar um circuito, os elétrons fluirão do lado n para o p. Esta corrente elétrica pode ser posta em operação. É eletricidade gerada pela luz solar.

Nem toda a energia da luz solar pode ser recuperada como eletricidade. A energia num fóton de luz solar varia de 1,5 a 3 elétrons-volts, assim como as cores variam do vermelho ao violeta. Mas é preciso apenas 1 elétron-volt para liberar o elétron no cristal de silício, de modo que o resto da energia é perdida como calor. A eficiência máxima, teórica, de uma única célula de silício é de cerca de 22 por cento. As células mais eficientes realmente fabricadas até agora só são cerca de 15 por cento eficientes. Espera-se que, pela combinação de diferentes tipos de elementos de semicondutores, em várias camadas, possa-se obter um máximo de 50 por cento de conversão da luz solar em energia.

Aplicações das Células Solares

As células solares elétricas já encontraram importante lugar na tecnologia moderna, sendo usadas para fornecer energia aos veículos espaciais. São ideais para tal aplicação. Na viagem interplanetária, ficam expostas todo o tempo à plena luz solar (em órbita, mais da metade do tempo). As nuvens não ficam no caminho, e não são afligidas pela chuva ou pelo vento. Seu custo é absorvido nos orçamentos da pesquisa espacial.

Assim, verificamos que a modalidade mais notável da silhueta do Skylab, ou das naves Vikings que foram até Marte, são os grandes painéis solares que se estendem deles. As células solares provaram-se fidedignas e duráveis. A usina geradora de energia da nave orbital Viking ainda produzia 600 watts dois anos depois de sua chegada a Marte. Seu desempenho nesta tarefa exigente por certo a recomenda. O cuidado meticuloso e o custo extravagante da fabricação das células solares para se garantir tal perfeição bem que pode ser assumido por uma nave Viking. Mas seu custo atual terá de ser reduzido para menos de uma vigésima parte a fim de torná-las economicamente atraentes para gerar energia elétrica na terra. Isto parece colocar a perspectiva da energia elétrica solar no futuro bem distante, mas as tremendas reduções de custos que foram conseguidas em outros instrumentos semicondutores nos dão esperança de um êxito antecipado. Os funcionários de muitos laboratórios buscam ativamente fazer pesquisas no sentido de obterem processos automáticos para baratear as células solares. Os apoiadores entusiásticos afirmam que o sol poderia estar suprindo 20 por cento da energia necessária aos EUA por volta do ano 2000.

A energia elétrica solar possui uma caraterística que a distingue nitidamente dos muitos outros modos de produzir eletricidade. Ela é inerentemente modular. Isto é, a unidade básica de produção é um único módulo pequeno. Para se obter mais energia, apenas se juntam mais módulos. Isto não se dá com a eletricidade gerada pelo vapor. É preciso uma grande usina para gerar energia mais barata pela queima de óleo ou de carvão. Isto também se dá com a energia nuclear, e será ululantemente veraz quanto à energia gerada pela fusão. Mas a eletricidade gerada pelo sol promete ser tão barata nas usinas pequenas quanto nas grandes.

Isto suscita uma pergunta provocante: Seria possível pôr fim às extensas redes de energia que são essenciais no atual sistema? Talvez a usina de força do futuro seja mais um projeto comunitário ou da vizinhança, ou até mesmo adaptado às moradias isoladas. Tal idéia é perturbadora para aqueles que organizaram a produção da eletricidade em torno de enormes redes regionais, ou até mesmo nacionais. É compreensível que os líderes industriais que sentem uma ameaça a seus amplos investimentos no atual sistema não se mostrem entusiasmados em apoiar tão radical inovação. Caso tais pessoas não procrastinassem, afirmam alguns, a energia solar poderia ser desenvolvida com maior rapidez.

Outras vantagens da eletricidade solar direta são claramente atraentes. Será limpa, silenciosa e confiável. Não existem partes móveis e nada a desgastar-se. É simples de usar. Não causa nenhuma poluição. Seu fornecimento de energia é livre e tão renovável quanto a luz solar de um dia para o outro. Será de admirar que a promessa de tal fonte energética suscite proponentes que exigem que todo esforço se volte em direção à sua pronta realização?

[Destaque na página 6]

A luz solar que cai sobre um quadrado de 26 km de cada lado, no Arizona, EUA, iguala a energia gerada por todas as usinas geradoras de eletricidade nos EUA.

[Destaque na página 7]

Apoiadores entusiásticos afirmam que o sol poderia suprir 20 por cento da energia comercial necessária aos EUA por volta do ano 2000.

[Destaque na página 7]

Vantagens da eletricidade solar direta: nenhuma poluição, nenhum ruído, nada a se desgastar, e o fornecimento de energia tão grátis e tão renovável quanto à luz solar de um dia para o outro.

[Quadro na página 8]

Energia Solar Vinda do Espaço

A idéia mais incrível de todas quanto a se aproveitar a luz solar para gerar energia elétrica é uma que poderia vir dum filme de ficção científica. Enorme série de painéis solares, com uma área total de mais de 50 km², seria ajuntada no espaço sideral. Esta estação coletora de energia seria colocada numa órbita de 36.000 km de altura, onde ficaria estacionária sobre um ponto escolhido do equador. A energia gerada seria transmitida por microondas a uma antena receptora na superfície, de 10 km de diâmetro. Os cinco milhões de quilowatts gerados seriam quase que suficientes para a cidade de Nova Iorque. Tal proposta oferece nítida vantagem sobre os coletores solares terrestres. A usina de força espacial operaria 24 horas por dia, e o tempo nublado não interferiria nem com a coleta de energia nem com sua transmissão por microondas.

Mas tal construção colossal não está no escopo da atual tecnologia espacial. Custaria muitos bilhões de dólares desenvolver os foguetes e transportar os materiais e os operários para o espaço. E ficamos imaginando se as microondas extraviadas não constituiriam um risco para as pessoas próximas da estação receptora. Também, que efeito isto poderia ter sobre a ionosfera e o tempo, sobre o rádio e a televisão? Os astrônomos se queixam de que tais objetos brilhantes no céu impediriam permanentemente suas explorações das profundezas espaciais, visto que para isso precisam dum céu escuro. Os executivos das empresas de serviços públicos poderiam ser a favor de tal projeto, porque ainda teríamos de depender de seu sistema de distribuição.

Mas, caso pudesse estocar energia durante a noite, talvez preferisse obter sua energia solar diretamente do sol, enquanto brilha sobre sua casa, evitando tais obstáculos elaboradamente concebidos. Afinal de contas, quando os satélites solares se tornarem realidade, talvez possam coletar suficiente energia solar para que sua família a utilize, com apenas 3 m² de células solares em seu telhado.