○Materiais Básicos Residenciais
Muitas casas no Japão carecem de isolamento, o que faz com que o calor escape durante o inverno, apesar dos esforços contínuos de aquecimento, levando à condensação nas janelas. A continuação do aquecimento nesse estado torna-se um desperdício desnecessário de eletricidade. Para combater isso, são usados materiais isolantes para evitar a fuga de calor. Além disso, a incorporação de janelas com vidros duplos e ventilação mecânica 24 horas permite o uso de sistemas de aquecimento e refrigeração o ano todo, minimizando o consumo de eletricidade.
Além disso, o concreto usado em prédios, apartamentos e residências emite uma quantidade significativa de dióxido de carbono durante o processo de produção, contribuindo significativamente para o aquecimento global. É essencial reduzir seu uso diante desses problemas.
Levando em conta esses problemas, bem como a pobreza que impede a habitação adequada e a questão dos refugiados, é possível começar a construir agora mesmo e pensar em formas sustentáveis de habitação em todo o mundo. Os materiais básicos seriam o kiri de crescimento rápido, o bambu, a palha, a terra, o barro, a pedra, a cal e a água.
A palha são talos secos de plantas como arroz e trigo. O arroz é cultivado em toda a Ásia, do Japão à Índia, enquanto o trigo é cultivado em todo o mundo na África, Europa, Ásia, Rússia, Austrália, Canadá, Argentina, entre outras regiões. Consequentemente, a palha está amplamente disponível e é agrupada em blocos de aproximadamente 50 cm de largura para servir como isolamento. Esses blocos são empilhados entre as colunas de uma habitação. O interior e o exterior dessas paredes de palha são cobertos com lama para criar paredes de terra. Tais casas são conhecidas como 'casas de fardos de palha', e os fardos são criados usando uma máquina agrícola chamada enfardadeira, que comprime grama seca ou palha em formas de bloco.
Utiliza-se o kiri de crescimento rápido para as colunas. Este cresce mais rapidamente do que o kiri comum, alcançando uma altura de 15 m e um diâmetro de cerca de 40 cm em 5 anos. Devido à sua resistência, pode ser usado para colunas e móveis. Uma vez plantado, brota novamente após a colheita, podendo ser cortado a cada 5 anos por um período de 30 a 40 anos. Pode ser cultivado em qualquer lugar com um clima ameno e solo que não seja excessivamente ácido ou alcalino.
Além disso, métodos de construção como "cob" e "adobe" envolvem a mistura de água com materiais como areia, argila e palha para criar paredes de terra ou tijolos. Esses métodos arquitetônicos têm sido observados em vários continentes desde tempos antigos. Adicionar materiais fibrosos como palha ajuda a alongar e unir o solo, aumentando a resistência à tração do cob.
Como essas paredes de terra são suscetíveis a enfraquecer quando expostas aos elementos, elas são revestidas com materiais como reboco de cal misturado com óleo no exterior para melhorar a impermeabilização e durabilidade.
Enquanto as paredes de fardos de palha têm aproximadamente 50 cm de espessura e as paredes de cob cerca de 60 cm, um método visto em casas tradicionais japonesas envolve aplicar terra em treliças de bambu para paredes internas mais finas.
Os seguintes valores representam a condutividade térmica, onde números menores indicam melhor desempenho de isolamento. A palha tem um alto desempenho de isolamento.
- Lã de vidro: cerca de 0,016 W/(m·K)
- Palha: aproximadamente 0,05 - 0,09 W/(m·K)
- Paredes de terra: aproximadamente 0,5 - 0,8 W/(m·K)
- Madeira natural: cerca de 0,1 - 0,2 W/(m·K)
- Concreto: aproximadamente 1,7 - 2,3 W/(m·K)
Além de palha, também podem ser usadas gramíneas como o capim-mole e o feno. A condutividade térmica do capim-mole é de 0,041 W/(m K), enquanto a do feno proveniente de gramíneas de relvado é de 0,037 W/(m K). Existem vários tipos de gramíneas, incluindo capim-mole, junco, miscanto, caniço, kariyasu, karkaya e shimakaya, conhecidos no Japão pelo seu uso em telhados de colmo.
Em outras palavras, a palha é um recurso que pode ser colhido em todo o mundo todos os anos. Se o município monitorar a quantidade de materiais disponíveis, não enfrentará a escassez de recursos. No entanto, como a formação de terra leva centenas de anos, as casas de fardos de palha, que podem ser colhidas várias vezes em um curto período e requerem menos terra, devem ter uma prioridade maior do que as casas de barro.
O bambu prospera principalmente em regiões quentes e úmidas, como Ásia Oriental, Sul da Ásia, África e países próximos ao equador na América do Sul. Em lugares onde o bambu não é prevalente, a madeira se torna a alternativa, com as autoridades locais tomando decisões enquanto monitoram a quantidade de árvores. Se o uso de casas de fardos de palha esgotar os recursos de madeira necessários para a construção residencial, as casas de cob se tornam uma alternativa viável.
Essas moradias utilizam materiais reutilizáveis, enfatizando o uso a longo prazo por meio de reparos repetidos e disposição natural após o uso. A construção de fardos de palha, cob e adobe são técnicas antigas encontradas em vários continentes e são altamente adaptáveis como métodos fundamentais de moradia sustentável em todo o mundo.
Em regiões com alta pluviosidade e umidade, como o Japão, prevenir a deterioração da palha devido ao mofo torna-se necessário. Considerações incluem:
- Utilizar telhados que gerenciam efetivamente a água da chuva e garantir que as beiradas e peitoris das janelas sejam de comprimento adequado para proteger as paredes da água da chuva.
- Elevar a fundação da casa para proteger as paredes do respingo da água da chuva.
- Evitar que a umidade do solo entre nas paredes.
- Implementar paredes externas ventiladas para liberar e secar a umidade entre o material da parede externa e o isolamento, prevenindo a condensação.
Além disso, priorizar a construção baseada em pedra diretamente sobre pedras de fundação (conhecidas como "ishibadate") em vez de fundações de concreto é preferível. Essa escolha visa reduzir o uso de concreto e desviar as forças sísmicas. Com uma fundação de concreto, os tremores sísmicos afetam diretamente a residência. Em contraste, na construção baseada em pedra, as colunas repousam sobre pedras de fundação, permitindo que deslizem na superfície da pedra, reduzindo os tremores. No entanto, a construção baseada em pedra pode não ser universalmente aplicável, então, embora permaneça como uma escolha primária, avaliar fundações de concreto ou outros métodos caso a caso é crucial.
Além disso, ajustar essas fundações a uma altura que evite respingos de água da chuva nas paredes de terra a partir do solo é essencial.
○Geração e Armazenamento de Eletricidade
A geração e o armazenamento de energia devem ser sustentáveis e, ao mesmo tempo, simples em sua estrutura. Na Aldeia Prout, a prioridade é dada à combinação dos seguintes equipamentos de energia.
A principal fonte de energia será a bateria de magnésio, desenvolvida pelo professor Takashi Yabe do Instituto de Tecnologia de Tóquio. Esta bateria utiliza uma fina placa de magnésio, que pode ser armazenada e transportada. A eletricidade é gerada ao submergir materiais à base de carbono em água salgada, com o magnésio como polo negativo e o carbono como polo positivo.
Esta bateria possui uma capacidade de energia mais de 8,5 vezes superior à das baterias de íons de lítio usadas em smartphones, e oferece menos risco de incêndio em comparação com o combustível de hidrogênio. Enquanto as baterias convencionais permitiam que um drone voasse por apenas 30 minutos, com a bateria de magnésio, o tempo de voo é de até 2 horas, e também é possível operar carrinhos de golfe por aproximadamente 2 horas.
O magnésio é abundante na água do mar, com cerca de 1.800 trilhões de toneladas disponíveis, o que equivale a 100.000 anos de consumo de petróleo a uma taxa de 10 bilhões de toneladas por ano. A probabilidade de esgotamento é extremamente baixa, e o recurso pode ser utilizado em todo o mundo. Além disso, o óxido de magnésio residual após o uso pode ser aquecido a mais de 1.000°C e reutilizado como bateria de magnésio.
O professor também desenvolveu um dispositivo que, sem o uso de eletricidade, concentra a luz solar com espelhos e a converte em um feixe de laser para irradiar óxido de magnésio, separando o oxigênio para reutilizar o magnésio. Ele também desenvolveu um dispositivo de dessalinização que extrai magnésio e sal da água do mar.
A bateria de magnésio usada nos experimentos tem 16,3 cm de largura, 23,7 cm de profundidade, 9,7 cm de altura e pesa cerca de 2 kg após ser preenchida com água, com uma potência máxima de 250W. Isso é suficiente para operar um refrigerador de 450 litros (250W) por uma hora. Conectando 5 ou 10 dessas baterias, é possível fornecer energia para dispositivos que requerem maior potência. Um carro equipado com 16 kg de baterias de magnésio pode viajar 500 km, de acordo com o professor.
Durante a dessalinização da água do mar, restam sal e cloreto de magnésio. Ao irradiar o cloreto de magnésio com um feixe de laser, é possível gerar magnésio. Além disso, o magnésio também é abundante em areias desérticas. De acordo com o professor, 10 toneladas de água do mar podem render 13 kg de magnésio, o que equivale ao consumo de energia de uma família padrão por um mês.
Ao fazer das baterias de magnésio a base da vida, é possível produzir essas baterias a partir da água do mar em todo o mundo, com pouca preocupação de esgotamento. Além disso, como essas baterias podem ser armazenadas e transportadas, a eletricidade pode ser utilizada mesmo em áreas remotas com condições adversas.
Este dispositivo de dessalinização que produz magnésio necessita de eletricidade. Por isso, a energia será gerada por meio de pequenas centrais hidrelétricas em rios e córregos ao redor do mundo. A quantidade de eletricidade gerada depende da diferença de altura e do volume de água. No Japão, por exemplo, uma única turbina na estação hidrelétrica de fluxo claro de Itoshirobanba, na província de Gifu, gera 125 kW de eletricidade, o suficiente para cerca de 150 residências, com uma queda de 111 metros.
Além dessas pequenas hidrelétricas, também será utilizada a geração de energia por correnteza em mares e rios. As ondas do mar estão sempre em movimento, permitindo que a geração de energia por correnteza forneça eletricidade de forma estável, independentemente do dia ou da noite, sem a necessidade de grandes instalações devido à simplicidade de sua estrutura.
Adicionando a isso a energia eólica de pequena e média escala, a quantidade de eletricidade aumentará quando houver vento. Diversos tipos de turbinas eólicas foram desenvolvidos, e as turbinas eólicas de eixo vertical, que giram horizontalmente, podem captar ventos de todas as direções. Na Aldeia Prout, a prioridade é distribuir pequenas e médias instalações de energia que possam ser fabricadas e geridas por cada município, em vez de grandes instalações de energia eólica.
As baterias de magnésio, as pequenas hidrelétricas, a geração de energia por correnteza e a energia eólica, conforme descrito até agora, são métodos de geração de energia estáveis e sustentáveis que não emitem dióxido de carbono no processo de geração, contribuindo assim para combater o aquecimento global. Além disso, outros recursos energéticos serão utilizados simultaneamente para diversificar as fontes de energia natural.
Um desses recursos é o uso de aquecedores solares de água a vácuo para produzir água quente a partir do calor solar, a ser utilizada em banhos e cozinhas. Este dispositivo é composto por uma unidade de coleta de calor que concentra a energia do sol e uma unidade de armazenamento de água quente. No Japão, a temperatura da água pode atingir entre 60°C e 90°C no verão e cerca de 40°C no inverno.
Simultaneamente, o uso de painéis solares térmicos também será considerado. Estes painéis aquecem o ar dentro deles a uma temperatura em torno de 50°C, que é então distribuído por dutos, aquecendo toda a casa.
Como esses sistemas utilizam energia térmica do sol, a orientação e o ângulo de instalação dos aquecedores solares e dos painéis térmicos são cruciais. No Japão, a orientação diretamente para o sul é a mais eficaz, garantindo 100% da eficiência, enquanto orientações diretamente para o leste ou oeste ainda podem garantir cerca de 80%. O ângulo ideal para instalação no telhado é de 20 a 30 graus. Esses sistemas podem ser instalados no telhado ou no solo. Se instalados no telhado, a forma do telhado será adaptada para maximizar a área de coleta de calor.
Tanto os aquecedores solares de água quanto os painéis solares térmicos utilizam o calor diretamente, resultando em uma estrutura simples.
Em seguida, para iluminação em áreas sem fiação elétrica, será considerado o uso de geração de energia a partir de plantas e micro-hidrelétricas portáteis. A geração de energia a partir de plantas envolve a inserção de dois eletrodos no solo, gerando uma pequena quantidade de eletricidade. No entanto, essa eletricidade é muito fraca, com uma voltagem em torno de 1,5 volts por unidade. Em um experimento, 100 unidades foram conectadas, ultrapassando os 100 volts necessários para um circuito doméstico. A combinação de eletrodos de magnésio e carvão binchotan é a principal candidata, sem o uso de metais raros ou outros recursos minerais.
Além disso, foi desenvolvido um gerador hidrelétrico portátil com 1 metro de comprimento, capaz de gerar energia em riachos com uma diferença de altura de 1 metro. Com um fluxo de água de 10 litros por segundo, pode gerar 5 W de eletricidade.
Na Finlândia, também estão sendo utilizadas baterias de areia. Essas baterias armazenam o calor gerado por energia solar ou eólica na areia. Um tanque isolado, com 4 metros de largura e 7 metros de altura, contém 100 toneladas de areia. Este calor é fornecido à região circundante para aquecimento de edifícios e piscinas aquecidas. A areia, aquecida a mais de 500 graus, pode armazenar energia por vários meses, com uma vida útil de várias décadas. Qualquer tipo de areia pode ser utilizada, desde que esteja seca e livre de materiais inflamáveis, o que torna sua implementação no Japão viável.
Na Finlândia, foi calculado que, para fornecer calor a uma área com 35.000 habitantes, seria necessário um tanque de armazenamento com 25 metros de altura e 40 metros de diâmetro, cheio de areia.
Nos Estados Unidos, também estão desenvolvendo baterias de areia, onde a areia de sílica é aquecida a 1.200°C e armazenada em um depósito de concreto isolado. Para converter o calor em eletricidade, a água é aquecida, e o vapor gerado aciona uma turbina equipada com várias lâminas, que está conectada a um gerador, produzindo eletricidade. Quando o calor é transformado em eletricidade, este equipamento é necessário.
Esses são os métodos de geração e armazenamento de energia na Aldeia Prout. A seguir, veremos os métodos de geração de energia existentes e as razões para não utilizá-los.
Um dos métodos existentes é o uso de hidrogênio. Embora o uso de hidrogênio como combustível não emita dióxido de carbono, ele é liberado durante o processo de fabricação. Por exemplo, a produção de hidrogênio a partir de combustíveis fósseis como gás natural, petróleo e carvão emite grandes quantidades de dióxido de carbono e, eventualmente, esses recursos se esgotarão, o que faz com que essa opção não seja viável.
Há também o método de obtenção de hidrogênio por eletrólise da água, usando eletricidade gerada a partir de energias renováveis como a solar e a eólica. Embora este método tenha baixas emissões de dióxido de carbono, ele exige o uso de grandes quantidades de água, o que pode agravar a escassez de água já acelerada pelas mudanças climáticas.
Além disso, a eletrólise da água utiliza metais raros como o irídio. Se o uso continuar no ritmo atual, prevê-se que o consumo desses metais raros em 2050 será mais que o dobro das reservas conhecidas, o que torna essa opção insustentável.
Há também a possibilidade de gerar gás, eletricidade e hidrogênio a partir de biomassa. A biomassa inclui excrementos humanos e de animais, resíduos agrícolas como palha e casca de arroz, restos de alimentos e madeira, todos de origem biológica. Por exemplo, em um banheiro doméstico de biogás, o esterco de vaca pode ser usado como matéria-prima. O esterco de vaca contém bactérias metanogênicas que, ao serem misturadas com excrementos humanos, alimentos e ervas daninhas, fermentam e produzem biogás. O principal componente desse gás é 60% de metano e 40% de dióxido de carbono. No entanto, o metano é um dos principais causadores do aquecimento global, o que torna seu uso generalizado problemático em escala global.
O armazenamento de hidrogênio pode ser feito por compressão em alta pressão, em forma de hidrogênio líquido resfriado a -253°C ou em ligas de hidreto metálico. Para o transporte, são necessárias instalações específicas. Como esses sistemas são grandes e complexos, eles não são uma opção viável.
Além disso, os painéis solares usados na geração de energia solar contêm substâncias nocivas e seu descarte final implica no enterramento no solo, o que não é um método sustentável.
A energia geotérmica também não é viável devido ao tempo necessário para a pesquisa, perfuração e construção de gasodutos, além de ser limitada a locais específicos onde pode ser utilizada.
E, finalmente, as usinas nucleares são excluídas porque podem levar a grandes catástrofes, e o combustível de urânio é finito e eventualmente se esgotará. A geração de energia termelétrica também não é viável, pois os combustíveis fósseis acabarão um dia, além de emitirem grandes quantidades de dióxido de carbono.
Além disso, baterias de lítio usadas em carros elétricos, bicicletas elétricas e smartphones não são sustentáveis porque utilizam recursos minerais como lítio e cobalto, que são finitos. Portanto, seu uso também será evitado.
Resumindo, as baterias de magnésio, a geração de energia hidrelétrica em pequena escala, a geração de energia por correntes marítimas e a geração de energia eólica em pequena e média escala serão os principais pilares. Adicionalmente, a utilização de aquecedores solares de água, painéis solares térmicos, geração de energia por plantas, micro-hidrelétricas portáteis e baterias de areia serão considerados conforme a situação.
Dessa forma, a energia será gerada o máximo possível a partir dos mares, rios e terras, e será compartilhada. Ao melhorar o isolamento das casas, a demanda por eletricidade também será reduzida. Assim, será possível viver utilizando apenas energia natural, sem recorrer a recursos esgotáveis. Na sociedade monetária, as atividades econômicas consomem grandes quantidades de eletricidade diariamente devido à competição. Quando essas atividades econômicas cessarem, a necessidade de eletricidade será drasticamente reduzida, assim como as emissões de dióxido de carbono, o que representará uma medida poderosa contra o aquecimento global.
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