Quando os eletrônicos precisam de fontes de energia próprias, existem duas opções básicas: baterias e colheitadeiras.

As baterias armazenam energia internamente, mas são pesadas e têm um suprimento limitado. Colheitadeiras, como painéis solares, coletam energia de seus ambientes. Isso contorna algumas das desvantagens das baterias, mas introduz novas, pois elas só podem operar em determinadas condições e não podem transformar essa energia em energia útil muito rapidamente.

Novas pesquisas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia estão preenchendo a lacuna entre essas duas tecnologias fundamentais pela primeira vez na forma de um “limpador de metais e ar” que tira o melhor dos dois mundos.

Esse limpador de metal-ar funciona como uma bateria, pois fornece energia quebrando e formando repetidamente uma série de ligações químicas. Mas ele também funciona como uma colheitadeira, na medida em que a energia é fornecida pela energia em seu ambiente: especificamente, as ligações químicas no metal e no ar ao redor do limpador de metais e ar.

O resultado é uma fonte de energia que possui 10 vezes mais densidade de energia que os melhores coletores de energia e 13 vezes mais densidade de energia que as baterias de íon-lítio.

A longo prazo, esse tipo de fonte de energia pode ser a base para um novo paradigma na robótica, onde as máquinas se mantêm energizadas procurando e “comendo” metais, quebrando seus laços químicos para a energia, como os humanos fazem com os alimentos.

No curto prazo, essa tecnologia já está alimentando um par de empresas derivadas. Os vencedores da Competição anual do Prêmio Y de Penn estão planejando usar catadores de ar metálico para alimentar luzes de baixo custo para residências fora da rede no mundo em desenvolvimento e sensores de longa duração para contêineres de transporte que podem alertar contra roubo, dano ou até mesmo tráfico humano.

Os pesquisadores, James Pikul, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, juntamente com Min Wang e Unnati Joshi, membros de seu laboratório, publicaram um estudo demonstrando as capacidades de seus catadores na revista ACS Energy Letters .

A motivação para o desenvolvimento de seu limpador de metal e ar, ou MAS, surgiu do fato de que as tecnologias que compõem os cérebros dos robôs e as tecnologias que os alimentam são fundamentalmente incompatíveis quando se trata de miniaturização.

À medida que o tamanho dos transistores individuais diminui, os chips fornecem mais poder de computação em pacotes menores e mais leves. Mas as baterias não se beneficiam da mesma maneira quando ficam menores; a densidade das ligações químicas em um material é fixa; portanto, baterias menores significam necessariamente menos ligações a serem quebradas.

“Essa relação invertida entre desempenho da computação e armazenamento de energia dificulta a operação de dispositivos e robôs de pequena escala por longos períodos de tempo”, diz Pikul. “Existem robôs do tamanho de insetos, mas eles só podem operar por um minuto antes que a bateria fique sem energia”.

Pior ainda, adicionar uma bateria maior não permitirá que um robô dure mais; a massa adicionada leva mais energia para se mover, negando a energia extra fornecida pela bateria maior. A única maneira de quebrar esse frustrante relacionamento invertido é procurar ligações químicas, em vez de empacotá-las.

“As colheitadeiras, como as que coletam energia solar, térmica ou vibracional, estão melhorando”, diz Pikul. “Eles costumam ser usados ​​para alimentar sensores e eletrônicos que estão fora da rede e onde você pode não ter ninguém por perto para trocar as baterias. O problema é que eles têm baixa densidade de energia, o que significa que não podem tirar energia do ambiente tão rápido quanto a bateria pode fornecê-la.

“Nosso MAS tem uma densidade de potência dez vezes melhor que as melhores colheitadeiras, a ponto de podermos competir com as baterias”, diz ele, “está usando a química da bateria, mas não tem o peso associado, porque está consumindo esses produtos químicos do meio ambiente “.

Como uma bateria tradicional, o MAS dos pesquisadores começa com um cátodo conectado ao dispositivo que está sendo alimentado. Debaixo do cátodo, há uma placa de hidrogel, uma rede esponjosa de cadeias poliméricas que conduz elétrons entre a superfície do metal e o cátodo através das moléculas de água que ele carrega. Com o hidrogel atuando como eletrólito, qualquer superfície metálica que ele toque funciona como ânodo de uma bateria, permitindo que os elétrons fluam para o cátodo e energizem o dispositivo conectado.

Para os propósitos de seu estudo, os pesquisadores conectaram um pequeno veículo motorizado ao MAS. Arrastando o hidrogel atrás dele, o veículo MAS oxidou as superfícies metálicas por onde passava, deixando uma camada microscópica de ferrugem.

Para demonstrar a eficiência dessa abordagem, os pesquisadores conduziram o veículo MAS em círculos em uma superfície de alumínio. O veículo foi equipado com um pequeno reservatório que continuamente absorve água no hidrogel para impedir que ele seque.

“Densidade de energia é a razão entre a energia disponível e o peso que deve ser transportado”, diz Pikul. “Mesmo considerando o peso da água extra, o MAS tinha 13 vezes a densidade de energia de uma bateria de íon de lítio porque o veículo só precisa transportar o hidrogel e o cátodo, e não o metal ou o oxigênio que fornece a energia.”

Os pesquisadores também testaram os veículos MAS em zinco e aço inoxidável. Metais diferentes dão ao MAS diferentes densidades de energia, dependendo do seu potencial de oxidação.

Essa reação de oxidação ocorre apenas a 100 mícrons da superfície, portanto, embora o MAS possa usar todas as ligações prontamente disponíveis com repetidas viagens, há pouco risco de causar danos estruturais significativos ao metal que está eliminando.

Com tantos usos possíveis, o sistema MAS dos pesquisadores foi um ajuste natural para o Y-Prize anual da Penn, uma competição de planos de negócios que desafia as equipes a construir empresas em torno de tecnologias nascentes desenvolvidas na Penn Engineering. A equipe de primeiro lugar deste ano, Metal Light, ganhou US $ 10.000 por sua proposta de usar a tecnologia MAS em iluminação de baixo custo para residências fora da rede nos países em desenvolvimento. A M-Squared, que ganhou US $ 4.000 em segundo lugar, pretende usar sensores movidos a MAS em contêineres.

“No curto prazo, vemos nosso MAS alimentando tecnologias da Internet das Coisas, como o que Metal Light e M-Squared propõem”, diz Pikul. “Mas o que foi realmente interessante para nós, e a motivação por trás deste trabalho, é como ele muda a maneira como pensamos sobre o projeto de robôs”.

Muitas das outras pesquisas de Pikul envolvem o aprimoramento da tecnologia, seguindo pistas do mundo natural. Por exemplo, a “madeira metálica” de alta resistência e baixa densidade de seu laboratório foi inspirada na estrutura celular das árvores, e seu trabalho em um peixe-leão robótico envolvia fornecer a ele um sistema circulatório a bateria líquida que também atuava pneumaticamente suas barbatanas.

Os pesquisadores vêem o MAS como se baseando em um conceito biológico ainda mais fundamental: comida.

“Como temos robôs mais inteligentes e capazes, não precisamos mais nos restringir a conectá-los a uma parede. Agora eles podem encontrar fontes de energia para si mesmos, assim como os humanos ”, diz Pikul. “Um dia, um robô que precisa recarregar suas baterias precisará encontrar um pouco de alumínio para ‘comer’ com um MAS, o que daria energia suficiente para que ele funcionasse até a próxima refeição.”

Fonte: Good News Network

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