Chegando lá

Bateria de hidrogênio: Primeiros protótipos funcionais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/03/2018

Bateria de hidrogênio

As baterias de hidrogênio, ou baterias de prótons, estão entre os conceitos promissores para a substituição das baterias de lítio ou mesmo das células de combustíveis.

Como em todo novo conceito, o progresso tem sido mais lento do que se desejava. Em apenas uma semana, contudo, duas equipes, trabalhando independentemente, mostraram resultados importantes.

A primeira equipe, formada por pesquisadores de várias universidades dos EUA, desenvolveu um novo eletrodo para a bateria de hidrogênio - o eletrodo é o material por onde a corrente elétrica entra, durante a recarga, ou sai da bateria, quando sua energia é usada. Para ser eficiente, um eletrodo precisa de muita área superficial. Para isso, a equipe cultivou nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono, formando um eletrodo não apenas poroso, mas com poros minúsculos.

"Antes do nosso trabalho, as pessoas usavam eletrodos de carbono de papel e tinham que empilhar eletrodos para gerar uma saída de alta potência. Os eletrodos tinham que ser muito mais grossos e mais caros porque você precisava usar múltiplas camadas - eles são mais volumosos e mais resistivos.

"Nós tivemos uma ideia simples, mas inovadora, de crescer pequenos nanotubos de carbono diretamente sobre fibras de carbono dentro dos eletrodos - como minúsculos pêlos - e com isso aumentamos a área superficial em 50 a 70 vezes. Resolvemos a exigência de elevada área superficial para eletrodos de bateria de hidrogênio-bromo," disse Trung Van Nguyen, da Universidade do Kansas, um dos líderes da equipe.

Uma questão fundamental que resta antes que uma bateria de brometo de hidrogênio possa chegar ao estágio comercial é o desenvolvimento de um catalisador eficaz para acelerar as reações no lado do hidrogênio da bateria e fornecer uma saída maior - e um catalisador que sobreviva à extrema corrosividade do sistema. A equipe afirma que já está trabalhando nisso.

O protótipo da equipe australiana é ainda menor, mas tem a vantagem de já ser totalmente funcional. [Imagem: RMIT University]

Bateria de hidrogênio funcional

Pesquisadores da Universidade RMIT, na Austrália, demonstraram por sua vez a primeira bateria recarregável de prótons totalmente funcional.

O protótipo também usa um eletrodo de carbono para armazenar o hidrogênio, juntamente com uma célula de combustível reversível para produzir eletricidade.

Durante o carregamento, o carbono no eletrodo liga-se com os prótons - ou átomos de hidrogênio - gerados pela divisão da água em oxigênio e hidrogênio, o que é feito com a ajuda de elétrons de uma fonte de alimentação externa. Os prótons são liberados novamente e passam de volta através da célula de combustível reversível para formar água com o oxigênio do ar e gerar energia. Ao contrário dos combustíveis fósseis, o carbono não queima, não gerando emissões no processo.

O eletrodo poroso de carbono ativado, feito de resina fenólica, armazena cerca de 1% em peso de hidrogênio. Parece pouco, mas esta é uma energia por unidade de massa comparável com a das baterias de lítio comercialmente disponíveis, lembrando que a bateria de prótons é um protótipo em estágio inicial, ainda longe de ser otimizada. A tensão máxima da célula foi de 1,2 volt para uma área de superfície interna ativa de apenas 5,5 centímetros quadrados.

"O trabalho agora se concentrará em melhorar ainda mais o desempenho e a densidade de energia através do uso de materiais à base de carbono em camadas atômicas e finas, como o grafeno, com o objetivo firme de chegar a uma bateria de prótons verdadeiramente competitiva com as baterias de íons de lítio," disse o professor John Andrews.

Ou, eventualmente, as duas equipes possam se unir, já que a equipe norte-americana já desenvolveu um eletrodo mais eficiente usando os nanotubos, que são essencialmente folhas de grafeno enroladas.

Bibliografia:

Technical feasibility of a proton battery with an activated carbon electrode
Shahin Heidari, Saeed Seif Mohammadi, Amandeep Singh Oberoi, John Andrews
International Journal of Hydrogen Energy
Vol.: 43, Issue 12, 22 March 2018, Pages 6197-6209
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.01.153

Highly Dispersed RhxSy Catalyst on Carbon Support with High Nafion Affinity for HER/HOR in HBr Solution
Yuanchao Li, Trung Van Nguyen
ECS Meeting Abstracts

Nosso futuro chegando

Drones espaciais vão aumentar vida útil de satélites

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/01/2018

O drone espacial - a estrutura do centro para a direita - aproximando-se para agarrar um satélite sem combustível. [Imagem: Effective Space]

Drones espaciais

A empresa aeroespacial britânica Effective Space anunciou ter assinado o primeiro contrato para enviar um drone espacial que deverá capturar e passar a manobrar um satélite de comunicações que está ficando sem combustível.

O cliente está sendo mantido em segredo, mas a empresa adiantou que, "em 2020, [lançaremos] uma frota de drones espaciais" em direção a um satélite em órbita geoestacionária, o que significa que a empresa precisará de um foguete de grosso calibre - satélites geoestacionários orbitam a Terra a 36.000 km de altitude.

Hoje existem mais de 600 satélites de comunicação nessa faixa, conhecida como "Cinturão de Clarke", em homenagem ao escritor de ficção científica Arthur C. Clarke.

A expectativa é que esse tipo de serviço permita aumentar significativamente a vida útil dos satélites artificiais e também abra caminho para manobrar e eliminar lixo espacial.

Motores iônicos

Os satélites são projetados para operar por cerca de 15 anos, em média. Quando seu combustível acaba, eles perdem a capacidade de controlar sua posição e orientação, o que impede que se alinhem com as estações em terra para estabelecer as comunicações. Mesmo que todos os demais equipamentos continuem funcionando, o satélite que fica sem combustível efetivamente se torna um lixo espacial, e fica por lá, desperdiçando uma valiosa posição no Cinturão de Clarke.

Os drones espaciais da Effective Space foram projetados com garras que permitem que eles "abracem" satélites que não foram projetados para atracamento.

Cada drone espacial pesa cerca de 400 kg e é dotado de motores iônicos, que se encarregarão de manobrar, orientar e manter a altitude dos satélites.

Quando o satélite pifar de vez, o drone irá então retirar o lixo espacial do Cinturão Clarke, colocando-o em uma "órbita cemitério", onde não atrapalhará as futuras missões. O drone espacial, por sua vez, poderá ser reutilizado, sendo direcionado para sua próxima missão junto a outro satélite que estiver ficando com o tanque vazio.

Cada drone também está sendo projetado para uma vida útil de 15 anos, quando seus próprios motores iônicos ficarão sem combustível - antes disso, porém, eles serão dirigidos para a órbita adequada ao seu descanso final.

Somos sol

Painel solar do século passado é reinventado

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/12/2017

A grande vantagem do painel solar tipo janela dupla é que virtualmente todos os elétrons são aproveitados. [Imagem: Bell et Ramachers - 10.1016/j.joule.2017.11.007]

Painel solar com gás

Pesquisadores estão reinventando uma forma de coletar energia solar que havia sido aventada no início do século passado, mas que ninguém havia conseguido fazer funcionar a contento.

Trata-se essencialmente de uma janela de vidro dupla cheia de gás. O painel externo é transparente e conduz eletricidade. A janela interna é revestida com um material especial, que atua como fonte de elétrons quando atingido pela luz solar - um "fotocatodo".

Os dois painéis são separados por um gás inerte, como o argônio - exatamente como se encontra em janelas duplas visando isolamento acústico e térmico.

Quando a luz solar atinge o painel, os elétrons são arrancados do fotocatodo e saltam através do gás para o painel externo, sem serem absorvidos ou perdidos. Como o painel externo é condutor, eles são dirigidos para eletrodos e daí para fora da estrutura.

Isso é totalmente diferente de como os elétrons se comportam nos painéis solares fotovoltaicos atuais - sobretudo quanto à sua possibilidade de perda. A grande vantagem é um forte ganho de eficiência, em um momento em que melhorias na fotovoltaica tradicional, baseada nas células solares de silício, estão cada vez mais difíceis de se alcançar.

Fotocatodo

"É gratificante descobrir uma reviravolta de uma ideia que remonta ao início do século 20 e, como físico de materiais, é fascinante procurar materiais que podem funcionar em um ambiente tão diferente dos fotocatodos padrão," disse o professor Gavin Bell, da Universidade de Warwick, no Reino Unido.

A equipe até agora selecionou uma lista de materiais candidatos a funcionar como fotocatodo nesse painel solar reinventado, incluindo filmes finos de diamante, que seriam muito robustos e duráveis. Mas o trabalho continua em busca do material ótimo e que, simultaneamente, passe pelo crivo da viabilidade econômica. Eles estão entusiasmados.

"Nosso dispositivo é radicalmente diferente do padrão fotovoltaico e pode até mesmo ser adaptado para outras tecnologias verdes, como converter o calor diretamente em eletricidade, por isso esperamos que este trabalho inspire novos avanços," disse Bell.

Bibliografia:

Photoelectric Solar Power Revisited
Gavin R. Bell, Yorck A. Ramachers
Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.007