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Uma equipe de engenheiros da Universidade de Massachusetts Amherst mostrou recentemente que quase qualquer material pode ser transformado em um dispositivo que coleta continuamente eletricidade da umidade do ar. O segredo está em conseguir salpicar o material com nanoporos de menos de 100 nanômetros de diâmetro. A pesquisa apareceu na revista Materiais avançados.
“Isso é muito empolgante”, diz Xiaomeng Liu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia da UMass Amherst e principal autor do artigo. “Estamos abrindo uma ampla porta para colher eletricidade limpa do ar.”
“O ar contém uma quantidade enorme de eletricidade”, diz Jun Yao, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia da UMass Amherst e autor sênior do artigo. “Pense em uma nuvem, que nada mais é do que uma massa de gotículas de água. Cada uma dessas gotículas contém uma carga e, quando as condições são adequadas, a nuvem pode produzir um raio – mas não sabemos como capturar com segurança eletricidade a partir de raios. O que fizemos foi criar uma nuvem de pequena escala, construída pelo homem, que produz eletricidade para nós de forma previsível e contínua, para que possamos colhê-la.”
O coração da nuvem feita pelo homem depende do que Yao e seus colegas chamam de “efeito genérico de geração de ar” e se baseia no trabalho que Yao e o co-autor Derek Lovley, distinto professor de microbiologia da UMass Amherst, haviam concluído anteriormente. em 2020, mostrando que a eletricidade pode ser continuamente colhida do ar usando um material especializado feito de nanofios de proteína cultivados a partir da bactéria Geobacter sulfurreducens.
“O que percebemos depois de fazer o Geobacter descoberta”, diz Yao, “é que a capacidade de gerar eletricidade a partir do ar – o que então chamamos de ‘efeito de geração de ar’ – acaba sendo genérica: literalmente qualquer tipo de material pode extrair eletricidade do ar, desde que tenha uma certa propriedade.”
Essa propriedade? “Ele precisa ter orifícios menores que 100 nanômetros (nm), ou menos que um milésimo da largura de um fio de cabelo humano.”
Isso ocorre por causa de um parâmetro conhecido como “caminho médio livre”, a distância que uma única molécula de uma substância, neste caso a água no ar, percorre antes de colidir com outra única molécula da mesma substância. Quando as moléculas de água estão suspensas no ar, seu caminho livre médio é de cerca de 100 nm.
Yao e seus colegas perceberam que poderiam projetar um coletor de eletricidade com base nesse número. Essa colheitadeira seria feita de uma fina camada de material preenchida com nanoporos menores que 100 nm que permitiriam a passagem de moléculas de água da parte superior para a inferior do material. Mas como cada poro é tão pequeno, as moléculas de água colidiriam facilmente com a borda do poro ao passar pela camada fina. Isso significa que a parte superior da camada seria bombardeada com muito mais moléculas de água carregadas do que a parte inferior, criando um desequilíbrio de carga, como o de uma nuvem, pois a parte superior aumentou sua carga em relação à parte inferior. Isso efetivamente criaria uma bateria – uma que funciona enquanto houver umidade no ar.
“A ideia é simples”, diz Yao, “mas nunca foi descoberta antes e abre todos os tipos de possibilidades”. A colheitadeira pode ser projetada literalmente a partir de todos os tipos de materiais, oferecendo amplas opções para fabricações econômicas e adaptáveis ao ambiente. “Você pode imaginar coletores feitos de um tipo de material para ambientes de floresta tropical e outro para regiões mais áridas”.
E como a umidade está sempre presente, a colheitadeira funcionaria 24 horas por dia, faça chuva ou faça sol, à noite e com ou sem vento, o que resolve um dos principais problemas de tecnologias como a eólica ou a solar, que só funcionam sob certas condições .
Finalmente, como a umidade do ar se difunde no espaço tridimensional e a espessura do dispositivo Air-gen é apenas uma fração da largura de um fio de cabelo humano, muitos milhares deles podem ser empilhados uns sobre os outros, aumentando eficientemente a quantidade de energia sem aumentar a pegada do dispositivo. Tal dispositivo Air-gen seria capaz de fornecer energia em nível de quilowatt para uso geral de eletricidade.
“Imagine um mundo futuro em que a eletricidade limpa esteja disponível em qualquer lugar que você vá”, diz Yao. “O efeito genérico do Air-gen significa que este mundo futuro pode se tornar uma realidade.”
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, Sony Group, Link Foundation e pelo Institute for Applied Life Sciences (IALS) da UMass Amherst, que combina conhecimento profundo e interdisciplinar de 29 departamentos no campus da UMass Amherst para traduzir pesquisas fundamentais em inovações que beneficiam a saúde e o bem-estar humano.
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