Entre as fontes alternativas de energia que captam energia diretamente do ambiente, nossos abundantes recursos hídricos geralmente estão entre as principais opções exploradas. A maioria das soluções baseadas em água aproveita a energia diretamente do movimento da água. No entanto, os coletores de energia baseados em água convencionais apresentam baixa eficiência de conversão de energia e dependem de fontes de energia externas para gerar continuamente ondas suficientes que possam ser reutilizadas no processo de captação.
Agora, um coletor de energia desenvolvido pelo Instituto Coreano de Máquinas e Materiais (KIMM) apresenta avanços em nano-microeletrônica para criar geradores de energia que aproveitam o movimento da água enquanto são auto-recarregáveis, eliminando a necessidade de energia externa. Como resultado, o gerador pode ser usado continuamente como um dispositivo de fornecimento de energia para sensores – mesmo no oceano, onde o carregamento de dispositivos é um desafio constante. Este blog abordará a ciência por trás da captação de energia a partir da água e explorará o que torna a abordagem do KIMM um avanço revolucionário.
Movimento ou Química?
A eletricidade gerada pelas ondas tem mostrado grande potencial como uma fonte de energia alternativa, mas sua viabilidade enfrenta desafios relacionados à confiabilidade. Os coletores de energia baseados no movimento da água sofrem com baixa eficiência de conversão de energia e necessitam de uma fonte de energia externa para gerar movimento na água, tornando o uso contínuo problemático. Em vez de depender do movimento, este gerador inovador auto-recarregável aproveita o poder da água salgada para superar esses desafios, oferecendo uma eficiência superior de conversão de energia e eliminando a necessidade de fontes de energia externas constantes para impulsionar o fluxo de água para reutilização. Em comparação, a água salgada é uma opção confiável e sustentável para diversos ambientes, especialmente onde as fontes de energia externas são limitadas.
Embora já tenham sido feitas tentativas de utilizar a captação de energia baseada na água do mar, essas soluções mostraram-se sensíveis às condições ambientais, o que, até o momento, tem limitado sua sustentabilidade. No entanto, uma equipe da Divisão de Pesquisa em Manufatura Nano-convergente do KIMM, liderada pelo Pesquisador Principal Seungmin Hyun e pela Pesquisadora Sênior Hye-Mi So, desenvolveu um coletor de energia auto-recarregável que gera eletricidade a partir do movimento de íons na água do mar. Ao alterar o movimento no qual essa forma de captação de energia se baseia, o coletor do KIMM consegue operar de forma independente, sem depender de fontes externas de energia, tornando-se uma opção mais segura para o meio ambiente.
Por que a Abordagem do KIMM É Diferente
A tecnologia de ponta de captação de energia do KIMM oferece uma forma constante e autossustentável de eletricidade, tornando-se uma solução ideal para aplicações que exigem uso contínuo sem depender de energia externa. Sua densidade de potência de 24,6 mW/cm³ supera significativamente os geradores baseados em água anteriores. Além disso, ao conectar vários coletores ou expandir a área de captação, a equipe de pesquisa descobriu que o rendimento energético do sistema pode ser ampliado, desbloqueando um potencial ainda maior para a produção de energia renovável e aumentando a escalabilidade da tecnologia.[1]
Como funciona
O gerador de eletricidade baseado em água salgada do KIMM (SWEG, Saltwater-based Electricity Generator) apresenta vários avanços notáveis em comparação com os coletores de energia tradicionais baseados em água. Essa geração contínua de energia é baseada na redistribuição de íons entre a superfície dos eletrodos e os eletrólitos presentes na água salgada (Figura 1). O sistema SWEG utiliza nanotubos de carbono de paredes múltiplas (multi-walled carbon nanotubes, MWNT) e filmes de óxido de grafeno (graphene oxide, GO) para maximizar a produção de energia e alcançar a resiliência necessária contra fatores ambientais que podem comprometer o desempenho.
Funcionando de forma independente de fontes externas de energia, o sistema SWEG pode suportar aplicações contínuas e de longo prazo em uma variedade de ambientes aquáticos. À medida que os íons se movimentam, eles geram uma corrente elétrica, e a redistribuição de íons entre os eletrodos permite o auto-recarregamento contínuo. Essas características autossustentáveis significam que o coletor pode alimentar continuamente dispositivos pequenos, como sensores, calculadoras e até relógios, em locais remotos ou de difícil acesso, onde a recuperação ou manutenção de equipamentos por meio de intervenção externa é impraticável.
A densidade de potência do coletor é aproximadamente 4,2 vezes maior do que a dos geradores convencionais baseados em água feitos de hidrogéis iônicos. Essa tecnologia não apenas fornece mais energia, mas também oferece maior confiabilidade e longevidade. De acordo com a pesquisa, uma vez totalmente descarregado com uma densidade de corrente elevada (0,5 µA cm⁻²), a tensão pode ser recuperada em duas horas. Já em uma densidade de corrente de descarga moderada, uma tensão considerável é mantida por até 24 horas. A reutilização é um fator crucial na captação de energia, e o sistema SWEG do KIMM mantém uma saída de tensão estável mesmo após usos repetidos.
Seungmin Hyun explicou o processo: “O sistema pode ser reutilizado mesmo após ser descarregado, restaurando seu circuito aberto inicial sem a necessidade de energia externa. Existe uma diferença inerente de grupos funcionais de oxigênio entre os dois eletrodos — o eletrodo de nanotubos de carbono (CNT) e o eletrodo de óxido de grafeno (GO). Quando o circuito é aberto, os íons começam a se rearranjar seguindo a força eletrostática entre o íon e o eletrodo. Como o eletrodo de GO possui muito mais grupos funcionais de oxigênio do que o eletrodo de CNT, mais cátions são atraídos para o eletrodo de GO do que para o de CNT. Por meio desse rearranjo de íons, a diferença de energia de superfície entre os dois eletrodos é restaurada, o que significa que a tensão também é recuperada.”
O Futuro da Eletricidade Gerada pela Água do Mar
As aplicações para essa tecnologia incluem o fornecimento de energia para sensores e dispositivos destinados ao monitoramento de fatores ambientais, como temperatura, oxigênio dissolvido e nitrogênio inorgânico. Além disso, ela pode suportar dispositivos eletrônicos de baixa potência em áreas remotas, fornecendo dados valiosos para iniciativas de conservação e pesquisa. As capacidades do coletor também podem viabilizar novas aplicações, que vão desde segurança marítima até produção de energia em alto-mar. Seu tamanho compacto e alta densidade de potência incentivam o uso em dispositivos onde fontes de energia tradicionais são impraticáveis ou inviáveis.
“Calculadoras, relógios e sensores são apenas alguns exemplos de pequenos dispositivos que nosso gerador pode alimentar”, disse Hyun. “Acreditamos que, como o gerador de eletricidade baseado em água salgada que desenvolvemos pode ser usado continuamente sem entrada de energia externa, talvez ele possa ser utilizado como uma fonte de energia elétrica para sensores de monitoramento do ambiente marinho.”
Aproveitar as propriedades naturais da água do mar pode abrir novas possibilidades para alimentar nosso mundo. Os potenciais casos de uso podem representar avanços significativos, proporcionando não apenas energia sustentável, mas também uma energia que pode ser facilmente integrada ao nosso futuro.
Fontes
[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724025415?via%3Dihub
[2] DOI: 10.1016/j.cej.2024.151054
[3] https://techxplore.com/news/2024-09-energy-harvester-generates-electricity-seawater.html
[4] Personal communication with the author.
Artigo publicado por Mouser Electronics no blog da Mouser Electronics: Generating Electricity from Seawater
Traduzido pela Equipe Embarcados.
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