Geração de Energia Elétrica Utilizando Nanogeradores
E se nós pudéssemos produzir eletricidade com a energia de nossas funções vitais? Imagine manter o seu celular carregado apenas pelo movimento dos seus dedos ou com a energia de batimentos cardíacos. Apesar de parecer ficção científica, a utilização de nanogeradores pode tornar possível a obtenção de energia elétrica de tais fontes.
Por Thiago Victor Pereira de Araújo
Desde que os primeiros equipamentos elétricos foram criados, os cientistas sempre estiveram à procura de formas práticas a fim lhes fornecer energia. Sendo assim, as pesquisas concebidas com esse propósito levaram ao desenvolvimento de duas principais áreas da tecnologia: geração de energia e eletrônica.
A busca por fontes de energia cada vez mais eficientes levou a serviços de utilidade elétrica em larga escala, porém grande parte desses serviços proporcionam efeitos negativos no ecossistema em que são instalados. Devido a isso, foram desenvolvidos dispositivos capazes de extrair energia do ambiente de forma renovável, como turbinas eólicas e painéis solares. Então, se conseguimos converter a energia gerada pelo ambiente, por que não aproveitar a de nós mesmos?
Nos dias atuais vivemos na era dos eletrônicos portáteis. Esses dispositivos dependem de uma fonte de energia móvel: a bateria. Entretanto, essa é uma fonte limitada e após certo tempo de uso é necessário que a mesma seja recarregada. Tendo em vista esse problema, pesquisadores desenvolveram uma forma de obter energia elétrica a partir da energia mecânica produzida por movimentos corporais.
Segundo Zhong Lin Wang, professor de ciências dos materiais da Georgia Tech e um dos principais pesquisadores da área, quando nós andamos podemos gerar em média 67 watts. O movimento de um dedo é capaz de produzir 0,1 watt e nossa respiração pode produzir 1 watt. Com a tecnologia desenvolvida pela Georgia Tech, é possível converter de 17-30% dessa energia em energia elétrica que será utilizada para carregar aparelhos eletrônicos.
Figura 1. Professor Zhong Lin Wang segurando um protótipo de um nano gerador composto por fios de óxido de zinco. Fonte: https://phys.org/news/2010-11-nanogenerators-strong-power-small-conventional.html.
Os nanogeradores de Wang dependem do efeito piezoelétrico de materiais cristalinos como óxido de zinco, devido a ele um potencial de carga elétrica é criado quando as estruturas feitas a partir desse material são flexionadas ou comprimidas. Ao capturar e combinar o potencial de milhões de nanofios de óxido de zinco, o dispositivo pode produzir uma tensão de até 3V e uma corrente de até 300 nA. O princípio de funcionamento dos nanogeradores pode ser explicado em dois casos diferentes: por forças exercidas perpendicularmente e paralelamente ao eixo do nano fio.
No primeiro caso é utilizado um nanofio posicionado verticalmente, o qual é interligado com uma ponta condutora que se move horizontalmente sobre o material piezoelétrico, como é possível ver na Figura 2.
Figura 2 Esquema com a força exercida perpendicularmente ao eixo do nano fio. Fonte: http://www.nanoscience.gatech.edu/paper/2006/06_SCIENCE_1.pdf.
Quando o material piezoelétrico está submetido a uma força vertical proporcionada pela ponta móvel, ocorre uma deformação ao longo de sua estrutura. Dessa forma, o efeito piezoelétrico irá criar um campo elétrico dentro do nanofio; como é mostrado na Figura 2, a parte mais clara exibe um potencial positivo e a parte comprimida (mais escura) exibe um potencial negativo. A medida que a ponta é deslocada para a esquerda do material, ocorre um aumento da tensão (ocasionado devido a polarização de cátions e de ânions na estrutura cristalina de óxido de zinco), comportamento que pode ser visto no gráfico localizado no centro da Figura 2. A tensão máxima gerada pelo nanofio pode ser calculada empregando a seguinte equação:
Na qual k_0 é a constante de permissividade no vácuo, k é a constante do material dielétrico, e_33, e_15 e e_31 são os coeficientes piezoelétricos, v é o coeficiente de Poisson, a é o raio do nanofio, l é o comprimento do fio e v_max é a deflexão máxima da ponta móvel . Esse caso gera uma corrente contínua.
O segundo caso é um modelo com nanofios posicionados verticalmente entre dois contatos segundo a configuração mostrada na Figura 3.
Figura 3. Esquema com a força exercida paralelamente ao eixo dos nano fios. Fonte: http://www.nanoscience.gatech.edu/paper/2006/06_SCIENCE_1.pdf.
Nessa configuração, a força aplicada na parte superior do nanogerador proporciona uma compressão sobre os nanofios. Devido a isso, o efeito piezoelétrico gera uma diferença de potencial ao longo do fio, visto que os elétrons podem se deslocar através do circuito externo. Quando a força é removida, o efeito piezoelétrico diminui, fazendo os elétrons voltarem para o topo a fim de neutralizar o potencial positivo no contato superior. Esse caso gera uma corrente alternada.
É esperado que esses dispositivos sejam utilizados em diversas aplicações em que haja movimento constante produzindo energia cinética, como: vento e ondas marítimas (em larga escala). E movimentos corporais como: respiração, batimentos cardíacos e movimento de músculos e articulações (em pequena escala).
Figura 4. Sistema de nano geradores que pode ser instalado em uma sola de sapato. Fonte: https://www.energy-manager.ca/news/two-stage-triboelectric-nanogenerator-may-power-our-sensors-and-phones-2551.
Outro exemplo de utilidade importante para essa tecnologia é a aplicação na medicina, visto que os médicos necessitam de equipamentos externos para carregar dispositivos implantados nos pacientes. Com os nanogeradores, é possível fornecer energia para esses dispositivos de forma contínua sem precisar de aparelhos externos, pois eles produzem eletricidade a partir de movimentos involuntários realizados pelo corpo (respiração, batimentos cardíacos). Portanto, o paciente pode utilizar o próprio corpo para carregar um dispositivo que garante sua sobrevivência.
Figura 5. Implante médico com nano geradores de energia elétrica. Fonte: https://www.popsci.com/this-generator-is-made-from-fish-scales.
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Apesar de todas as vantagens discutidas acima, essa tecnologia ainda é inacessível para a produção em larga escala devido ao seu custo, pois manipular estruturas tão pequenas exige um trabalho muito preciso e equipamentos bastante caros. Entretanto, no futuro, é possível que fabricantes consigam produzir essa tecnologia em um sistema com bateria recarregável para criar uma fonte de energia eficiente com impacto ambiental reduzido.
Referências:
Nanogenerators grow strong enough to power small conventional electronics. Georgia Institute of Technology. https://phys.org/news/.html. Acesso em 15 de Fevereiro de 2018.
Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. Zhong Lin Wang e Jinhui Song. Georgia Institute of Technology. SCIENCE MAGAZINE, 14 de abril de 2006.
Piezoelectric Nanogenerators for Self-Powered Nanodevices. Zhong Lin Wang, Xudong Wang, Jinhui Song, Jin Liu, and Yifan Gao. Georgia Institute of Technology. IEEE COMPUTER SOCIETY, Janeiro de 2008.
Free Electricity from Nano Generators. Kevin Bullis https://phys.org/news/.html. Acesso em 15 de Fevereiro de 2018.
Acesso em 25 de janeiro de 2018.
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