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Na busca por energia limpa e renovável, o hidrogênio desempenha um papel importante. Mas um grande desafio nessa transição é que o gás é explosivo quando misturado ao ar. Por esse motivo, é crucial detectar vazamentos de hidrogênio o mais cedo possível. Agora, pesquisadores da Chalmers University of Technology, Vrije Universiteit Amsterdam e Eindhoven University of Technology, desenvolveram um sensor óptico que pode detectar níveis recordes de hidrogênio.
O hidrogênio é visto como uma parte importante da descarbonização do setor de transporte pesado e, em todo o mundo, trens, caminhões e aviões movidos a hidrogênio estão sendo desenvolvidos e implantados. Mesmo na indústria pesada, o hidrogênio é considerado muito importante, por exemplo, para a produção de aço livre de combustíveis fósseis.
Os riscos de armazenar ou usar hidrogênio são bem conhecidos. Apenas quatro por cento de hidrogênio é necessário no ar para a formação de uma mistura explosiva (knallgas) que pode inflamar com a menor faísca. Portanto, é importante que sensores ultrassensíveis estejam instalados para monitorar vazamentos e alarmes em níveis críticos.
Segurança de extrema importância no uso de hidrogênio
Juntamente com colegas holandeses, pesquisadores do Departamento de Física da Chalmers University of Technology, na Suécia, desenvolveram um sensor óptico de hidrogênio que detecta níveis recordes de hidrogênio. Junta-se assim aos sensores mais sensíveis do mundo. Os novos resultados da pesquisa são apresentados em um artigo na Nature Communications.
“A segurança é de extrema importância em todo o uso e armazenamento de hidrogênio. Se os vazamentos forem detectados precocemente, eles podem ser corrigidos para que você não precise tirar a fábrica ou o veículo de serviço”, diz o professor da Chalmers, Christoph Langhammer , um dos principais autores do artigo científico.
A tecnologia de IA liderou o caminho
O sensor óptico de hidrogênio consiste em muitas nanopartículas de metal que trabalham juntas para detectar o hidrogênio em seus arredores. A abordagem de como o novo sensor foi projetado difere do que foi feito anteriormente. Em vez de produzir um grande número de amostras e testá-las individualmente para ver qual funciona melhor, os pesquisadores usaram tecnologia avançada de IA para criar a interação ideal entre as partículas com base na distância entre si, diâmetro e espessura. O resultado é um sensor que detecta mudanças na concentração de hidrogênio que são tão pequenas quanto algumas centenas de milésimos de um por cento.
O segredo por trás do baixo limite de detecção do novo sensor é a combinação do arranjo das partículas em um padrão regular em uma superfície e suas dimensões ajustadas. Isso acabou sendo mais favorável para a sensibilidade do sensor do que o arranjo aleatório de partículas usado em sensores anteriores do mesmo tipo.
O grupo de pesquisa de Christoph Langhammer já havia apresentado o sensor de hidrogênio mais rápido do mundo. Para ele, está claro que são necessários muitos tipos diferentes de sensores e que eles precisam ser otimizados para aplicações específicas.
“A tecnologia em torno do hidrogênio deu um salto gigantesco e, portanto, os sensores de hoje precisam ser mais precisos e adaptados para diferentes finalidades. Às vezes, é necessário um sensor muito rápido, às vezes é necessário um que funcione em um ambiente químico agressivo ou em baixas temperaturas. Um o design de sensor único não pode atender a todas as necessidades”, diz Christoph Langhammer, que também é um dos fundadores de um novo centro de competência: TechForH2.
Indústria e academia em nova colaboração sobre hidrogênio
O novo centro liderado por Chalmers reúne a academia e a indústria para desenvolver uma nova tecnologia de hidrogênio com foco na descarbonização de sistemas de transporte pesado. TechForH2 é liderado pelo professor Chalmers Tomas Grönstedt no Departamento de Mecânica e Ciências Marítimas.
“Quando a comunidade de pesquisa e a indústria se unem, isso pode nos levar ao próximo nível, de modo que o que produzimos possa ser aplicado e atender às necessidades e desafios existentes na indústria. Isso se aplica ao desenvolvimento de sensores, bem como à pesquisa relacionada a a propulsão de veículos pesados ou aviões usando gás hidrogênio”, diz Tomas Grönstedt, que menciona que uma aeronave elétrica com alcance de 500 quilômetros poderia aumentar seu alcance para 3.000 quilômetros se fosse movida a hidrogênio.
Como funciona o sensor óptico de hidrogênio
O sensor que os pesquisadores desenvolveram é baseado em um fenômeno óptico, os plasmons, que ocorrem quando as nanopartículas de metal captam a luz e dão às partículas uma cor distinta. Se as nanopartículas forem feitas de paládio ou de uma liga de paládio, sua cor muda quando a quantidade de hidrogênio no ambiente varia, e o sensor pode disparar um alarme se os níveis se tornarem críticos.
Para encontrar a combinação final do arranjo na superfície e geometria das partículas no sensor, os pesquisadores usaram um algoritmo de inteligência artificial chamado otimização de enxame de partículas para alcançar a maior sensibilidade possível à exposição ao hidrogênio. Colocar as partículas em um padrão regular definido com muita precisão acabou sendo a resposta.
Com base no design de IA, o sensor óptico de hidrogênio otimizado foi fabricado e verificado como o primeiro de seu tipo a detectar opticamente o hidrogênio na faixa de “partes por bilhão” (250 ppb).
O novo sensor é baseado em um fenômeno óptico plasmons que ocorre quando nanopartículas de metal capturam luz e dão às partículas uma cor distinta. Essa cor muda quando a quantidade de hidrogênio no ambiente varia e o sensor pode emitir alarmes em níveis críticos.
Mais sobre a pesquisa
O artigo científico Metasuperfície plasmônica projetada inversamente com detecção de hidrogênio óptico de partes por bilhão foi publicado na Nature Communications e foi escrito por Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gómez Rivas e Andrea Baldi. Os pesquisadores são ativos na Chalmers University of Technology, na Eindhoven University of Technology e na Vrije Universiteit Amsterdam. Os pesquisadores de Vrije e Eindhoven estão por trás do projeto auxiliado por IA da superfície do sensor e da caracterização de suas propriedades ópticas, enquanto os pesquisadores de Chalmers fabricaram a superfície do sensor e realizaram as medições de detecção de hidrogênio.
A aplicabilidade prática do novo sensor será agora investigada no recém-iniciado centro de competência TechForH2, que é coordenado por Chalmers.
A pesquisa foi parcialmente financiada pela Fundação Sueca para Pesquisa Estratégica e pela Agência Sueca de Energia. Partes do trabalho ocorreram na Sala Limpa em Chalmers e no Chalmers Material Analysis Laboratory (CMAL) sob a égide da iniciativa Nano da Chalmers Excellence.
Mais sobre o novo Centro de Competência TechForH2
O TechForH2 é um centro de competência para tecnologia de hidrogênio coordenado e liderado por Chalmers, com o RISE Research Institutes of Sweden como parceiro acadêmico. Vários parceiros industriais estão envolvidos no TechForH2: Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy e Stena.
A TechForH2 irá, entre outras coisas, se concentrar no armazenamento de energia integrado ao veículo, nas necessidades da indústria de manufatura, sensores, células de combustível e tecnologia/instrumentos e inovações na futura sociedade do hidrogênio.
O centro de competência recebeu SEK 54 milhões em financiamento da Agência Sueca de Energia e tem uma oferta total de SEK 161 milhões para os primeiros cinco anos, com possibilidade de extensão de cinco anos.
Com o apoio de nove novos alunos de doutorado e oito pesquisadores de pós-doutorado, espera-se agora poder contribuir para a construção de conhecimento e educação na área e acelerar o ritmo de introdução de novas tecnologias de hidrogênio para, assim, contribuir para a transição para uma sociedade livre de fósseis.
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