Cientistas estão a desenvolver uma nova geração de células solares concebidas especificamente para funcionar debaixo de água. Num teste realizado no Mar da China Meridional, investigadores conseguiram produzir energia a partir de painéis instalados a 10 metros de profundidade.

A experiência decorreu ao largo da ilha chinesa de Weizhou, onde uma equipa de cientistas submergiu um pequeno robô equipado com módulos solares e manteve o equipamento naquela profundidade durante duas horas.

Depois de ser retirado da água, o sistema tinha produzido 324 miliwatts-hora de energia, armazenada em baterias de iões de lítio. Um teste posterior confirmou que a quantidade de energia era suficiente para alimentar um painel de LED.

O resultado representa um avanço em relação a experiências anteriores com sistemas fotovoltaicos subaquáticos, geralmente realizadas em águas muito rasas. A principal inovação está no desenvolvimento de uma célula solar de perovskita adaptada às características específicas da luz solar disponível a determinada profundidade.

Na prática, os investigadores desenvolveram células solares concebidas especificamente para aplicações subaquáticas.

Os resultados do estudo foram publicados na revista científica Joule.

“Isso abre um caminho para alimentar continuamente dispositivos marinhos e resolve um dos principais obstáculos à autonomia dos equipamentos subaquáticos: a curta duração das baterias”, afirmou Wen-Hua Zhang, investigador da Universidade de Yunnan e principal autor do estudo, citado pela ZME Science.

A luz vermelha desaparece rapidamente debaixo de água

As células solares convencionais aproveitam uma faixa relativamente ampla do espectro da luz solar. Debaixo de água, porém, a luz passa por um segundo filtro óptico, depois da filtragem já provocada pela atmosfera.

A água absorve preferencialmente a luz vermelha e infravermelha. Por isso, entre aproximadamente cinco e dez metros de profundidade, o espectro disponível passa a ser dominado principalmente por comprimentos de onda azul-esverdeados, situados aproximadamente entre 400 e 600 nanómetros.

É precisamente esta alteração que torna mais difícil utilizar células solares convencionais debaixo de água.

O que diferencia a nova experiência é que as células foram testadas em mar aberto, ao contrário de experiências anteriores realizadas em águas pouco profundas.

Uma célula solar concebida para funcionar à superfície perde, portanto, grande parte do seu potencial quando colocada debaixo de água.

Para ultrapassar essa limitação, os investigadores utilizaram uma perovskita de amplo intervalo de banda, com cerca de 1,96 electrão-volt, optimizada para responder de forma mais eficiente à luz azul-esverdeada que consegue penetrar na água.

Os cientistas também adicionaram um polímero chamado PHMG, que ajudou a perovskita a formar uma estrutura cristalina mais estável e reduziu defeitos capazes de comprometer o seu desempenho eléctrico.

Estudos anteriores já apontavam para aplicações em maiores profundidades

Uma análise teórica publicada em 2020, também na revista Joule, calculou que sistemas fotovoltaicos subaquáticos poderiam continuar a ser úteis a profundidades próximas de 50 metros em águas excepcionalmente transparentes, desde que fossem utilizados materiais com um intervalo de banda mais amplo e ajustados ao espectro de luz existente nessas profundidades.

Esse estudo identificou um intervalo de banda ideal de aproximadamente 2,1 electrão-volt para profundidades intermédias, valor próximo do utilizado na aplicação prática desenvolvida agora pelos investigadores chineses.

Em 2024, investigadores também apresentaram células solares orgânicas concebidas para utilização subaquática, que alcançaram uma eficiência de conversão superior a 25,6% a um metro de profundidade.

Outros grupos de investigação começaram recentemente a testar células de perovskita em condições subaquáticas.

A principal diferença da experiência mais recente está nas condições de teste: as novas células foram avaliadas em mar aberto, enquanto experiências anteriores tinham sido realizadas em águas rasas.

Células atingiram 34,71% de eficiência a condições equivalentes a 10 metros

Nos testes laboratoriais destinados a reproduzir as condições de iluminação existentes a dez metros de profundidade, as pequenas células conseguiram converter 34,71% da luz que incidia sobre elas em electricidade.

Em condições convencionais de luz solar, a eficiência de conversão foi de 17,08%.

Módulos de maiores dimensões também alcançaram uma eficiência de 29,4% debaixo de água.

No entanto, estes números não significam que os módulos tenham produzido mais electricidade debaixo de água.

A dez metros de profundidade, a quantidade de luz solar que chega aos painéis é muito menor. Assim, a produção total de energia continua a ser inferior à registada à superfície.

O que as células demonstraram foi uma maior eficiência na utilização da luz azul-esverdeada que consegue atravessar a água.

Investigadores querem testar o sistema a maiores profundidades

Os dez metros de profundidade podem representar apenas uma primeira etapa.

“Com base no nosso trabalho actual, e especulativamente, a energia fotovoltaica subaquática poderia oferecer uma operação prática viável a profundidades de 20 a 30 metros”, afirmou Zhang. “Estão em curso experiências no nosso grupo.”

Além da profundidade, o investigador apontou outros obstáculos que podem afectar a eficiência da energia solar debaixo de água, incluindo a bioincrustação marinha, detritos flutuantes e a corrosão provocada pela água do mar.

Organismos que se fixam nas células podem bloquear a entrada de luz, enquanto a água salgada pode degradar, ao longo do tempo, os revestimentos de protecção dos equipamentos.

“Por isso, a profundidade operacional prática é determinada por vários factores, e não apenas pela intensidade da luz”, explicou Zhang.

Tecnologia pode alimentar equipamentos no fundo do mar

Caso estes obstáculos sejam ultrapassados, Zhang acredita que as células solares poderão integrar um ecossistema tecnológico cada vez maior debaixo das ondas.

“A energia fotovoltaica subaquática poderia ser utilizada em larga escala como parte de um esforço mais amplo para desenvolver infra-estruturas no fundo do mar”, afirmou.

O investigador destacou particularmente os veículos subaquáticos autónomos e outras tecnologias associadas ao conceito de “oceano inteligente”.

A equipa pretende agora testar o sistema a maiores profundidades, prolongar a duração das experiências em mar aberto, aumentar a dimensão dos módulos e integrá-los em veículos subaquáticos autónomos.

Os investigadores também pretendem desenvolver protocolos de teste padronizados, que permitam comparar diferentes tecnologias solares subaquáticas em condições equivalentes.