Pesquisa usa modelagem matemática para otimizar a produção de filmes finos absorvedores à base de molibdênio e sílica

Estudo de modelagem matemática para otimizar a produção de filmes finos absorventes de molibdênio e sílica
(Mathematical modeling study to optimize the production of molybdenum and silica absorbing thin films)

Autor: Gustavo Pamplona (Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal da Paraíba e pesquisador em superfícies seletivas para aplicações em energia solar)

Orientadora: Kelly Cristiane Gomes da Silva (Profª da UFPB e pesquisadora em Materiais Aplicados às Energias Renováveis e Processos de Fabricação)

A eficiência de sistemas solares térmicos depende diretamente da capacidade das superfícies absorvedoras de captar a maior quantidade possível de radiação solar, enquanto minimizam as perdas de calor por emissão térmica. Para alcançar esse equilíbrio, foram desenvolvidas superfícies seletivas compostas por filmes finos de molibdênio (Mo), com e sem a adição de uma camada de dióxido de silício (SiO₂), depositados sobre aço inoxidável AISI 304. A escolha desses materiais é fundamentada em suas boas propriedades ópticas e estabilidade térmica.

O processo de otimização foi conduzido por meio de modelagem matemática e simulações computacionais, visando determinar as espessuras ideais dos filmes, seguidas da validação experimental. Os resultados indicaram que a deposição de uma camada de Mo com espessura de 53 nanômetros (nm) proporciona uma absortividade de 96,28% e uma emissividade de 9,30%, resultando em um fator de seletividade de 10,35. A aplicação adicional de uma camada de SiO₂ com 18 nm promoveu redução da refletividade e aumento da absorção, elevando a absortividade para 98,00% e reduzindo a emissividade para 7,02%, com consequente aumento do fator de seletividade para 13,95.

A fabricação dos filmes foi realizada utilizando a técnica de Magnetron Sputtering, amplamente empregada na indústria para a deposição de camadas finas e homogêneas, com elevado controle sobre a espessura. Os filmes foram produzidos com controle rigoroso das condições de deposição. Para o Mo, utilizou-se uma potência de 100 W, com taxa de deposição de 1,2 Å/s, e para o SiO₂, uma potência de 185 W, com taxa de 0,24 Å/s. A caracterização óptica foi realizada por espectrofotometria, abrangendo a faixa de 220 a 1400 nm, e por espectroscopia no infravermelho médio, até 25000 nm, permitindo a avaliação da absortividade e da emissividade das superfícies.

As simulações do comportamento óptico basearam-se em modelos clássicos de interação da luz com filmes finos. Entre os métodos aplicados, o modelo de Macleod apresentou maior precisão, com boa concordância entre os valores teóricos e os dados experimentais. A análise mostrou que modelos simplificados, como os de Heavens e Abelès, apresentaram diferenças relevantes, especialmente para sistemas multicamadas ou com interferências complexas. A camada de SiO₂ como antirreflexiva atuou de forma efetiva na redução das perdas por reflexão, aumentando a quantidade de radiação solar absorvida e, simultaneamente, diminuindo as perdas térmicas por emissão na faixa infravermelha. Esse comportamento é essencial para aplicações em coletores solares, onde a eficiência energética depende da capacidade de absorver a maior quantidade possível de radiação solar e limitar a emissão de calor.

A metodologia desenvolvida, integrando modelagem matemática, simulação computacional e validação experimental, permitiu definir parâmetros precisos para a produção de superfícies seletivas com alta eficiência óptica. A deposição controlada de filmes de Mo com 53 nm e de SiO₂ com 18 nm resultou em superfícies altamente seletivas, com absorção superior a 98% e emissividade inferior a 7,1%, favorecendo o desenvolvimento de coletores solares térmicos. Esses resultados fortalecem o desenvolvimento de tecnologias solares mais eficientes e sustentáveis, contribuindo para a ampliação do uso de fontes renováveis de energia e para a redução dos impactos ambientais associados aos sistemas tradicionais de geração energética.

Currículo Resumido de Gustavo Pamplona

Doutor em Engenharia Mecânica (2024) pela Universidade Federal da Paraíba, com mestrado (2019) e graduação (2016) em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Campina Grande. Desenvolve pesquisas voltadas ao desenvolvimento de superfícies seletivas para aplicações em energia solar, atuando principalmente na síntese e caracterização de filmes finos, revestimentos metálicos e cerâmicos, corrosão e tratamentos térmicos e termoquímicos. Possui experiência em análise e projeto de sistemas termomecânicos, bem como na otimização de processos de fabricação e na investigação de materiais aplicados à energia.

Currículo Resumido de Kelly Cristiane

Professora Associada e Bolsista PQ do CNPq com Mestrado e Doutorado em Engenharia Mecânica na Linha de Materiais. Coordenadora do Laboratório de Síntese e Caracterização de Filmes Finos do Centro de Energias Alternativas e Renováveis, atuou como Presidente da Agência UFPB de Inovação Tecnológica - INOVA/UFPB nos anos 2021 a 2024 e é professora do Quadro Permanente da Pós-Graduação em Energias Renováveis e da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFPB. Atua na área de Materiais Aplicados as Energias Renováveis e Processos de Fabricação com enfoque em: Materiais sustentáveis, Superfície Solar Seletiva, Filmes Finos, Reaproveitamento de materiais, Recursos renováveis, Durabilidade e Caracterização dos materiais. Possui patentes e projetos em andamento em Filmes e revestimentos absorvedores autolimpantes e fotocatalíticos; Redes de fluxo material com incorporação de energias renováveis; Superfícies Seletivas para dispositivos de conversão solar; Sistemas de secagem de materiais cerâmicos utilizando energia solar; dentre outras. Em seu grupo de pesquisa trabalham um grupo de 30 discentes, em níveis de graduação e de Pós-graduação. Integrou Projetos de P,D&I, além de já ter coordenado projetos do CNPq, Fapesq e MEC.