Geradores Flutuantes de Água Transformam a Chuva em Energia Renovável

A demanda por energia está aumentando rapidamente. Em 2024, este mundo registrou um aumento de 4.3% na demanda por eletricidade. Isso foi um aumento muito maior do que o salto de 2.5% registrado no ano anterior, que estava próximo da taxa média de crescimento da demanda por eletricidade entre 2010 e 2023.

Esse crescimento é impulsionado principalmente pelo enorme aumento dos data centers devido à explosão da adoção de IA e veículos elétricos, com a expansão industrial e o uso crescente de ar‑condicionado também contribuindo significativamente.

Embora os combustíveis fósseis representassem mais da metade (quase 60%) da geração de eletricidade no ano passado, com o carvão permanecendo a maior fonte no mundo, a matriz energética está realmente evoluindo. Segundo a IEA, pela primeira vez na história, a geração de energia a partir de renováveis e energia nuclear representou dois‑quintos da geração total global em 2024. 

As renováveis, em particular, foram responsáveis por um terço da produção mundial de eletricidade. Entre as fontes renováveis, a energia hidrelétrica lidera com 14% da geração total, seguida pelo vento com 8%, energia solar fotovoltaica com 7% e bioenergia e resíduos com apenas 3%.

Embora seja um grande avanço rumo à energia limpa, a contribuição das renováveis para a produção global de energia ainda é baixa. Portanto, para acelerar ainda mais essa transição para fontes de energia renováveis, pesquisadores têm desenvolvido novas tecnologias de conversão de energia para atender à crescente demanda por consumo diário de energia elétrica . 

Sistemas que coletam energia diretamente do ambiente, em particular, podem ajudar a aumentar o uso de fontes de energia renováveis.

Hidrovoltaicos: Transformando a Chuva e os Ciclos da Água em Eletricidade

A água é um elemento crítico para a vida. Não só compõe grande parte do nosso corpo, como também constitui grande parte da Terra. Cobertura de 70% do nosso planeta, a água é o recurso mais abundante, e ela contém uma quantidade significativa de energia em várias formas, grande parte das quais permanece amplamente subutilizada.

Uma das formas de utilizar essa energia é através da energia hidrelétrica, que envolve usar o fluxo natural da água em movimento para gerar eletricidade.

Outra maneira poderosa de colher energia do ciclo natural da água é por meio da tecnologia hidrovoltaica. Diferente das tecnologias tradicionais, que aproveitam a energia cinética da água, a tecnologia hidrovoltaica gera eletricidade a partir da interação direta de um material eletrodo com a água. 

A tecnologia hidrovoltaica realmente permite o desenvolvimento de sistemas de baixo custo e alta eficiência que podem converter diretamente a energia térmica em energia elétrica através da interação da água com nanomateriais como grafeno, nanotubos de carbono, nanopartículas de carbono e polímeros condutores.

A energia que é convertida aqui é gerada pelo gotejamento, fluxo, flutuação, condensação ou evaporação, e aumenta consideravelmente a potência de saída. Pesquisa afirma¹ que usar apenas 1% da energia disponível na água mundial com uma eficiência de apenas 1% por meio da tecnologia hidrovoltaica pode nos ajudar a atender 1/3 das necessidades energéticas do mundo.

Como tal, dispositivos baseados nesta tecnologia emergente são cruciais para satisfazer a demanda de um mundo sedento por energia usando fontes de energia renováveis.

Isso levou a extensas pesquisas em geradores de energia por gotas, um tipo de tecnologia hidrovoltaica que converte a energia mecânica de gotas de água como gotas de chuva em eletricidade. Mas as limitações da tecnologia atual não permitiram que ela convertesse eficientemente a energia contida na água em energia elétrica.

Por exemplo, um gerador tradicional de energia por gotas baseado no efeito triboelétrico, que gera uma carga elétrica quando dois materiais diferentes entram em contato e depois se separam, pode produzir eletricidade quando uma gota atinge uma superfície. Contudo, o efeito interfacial limita o número de cargas geradas na superfície, resultando em eficiência de conversão de energia relativamente baixa.

Assim, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um “gerador de eletricidade por gotas integrado à água” que produz alta saída enquanto flutua sobre superfícies, oferecendo um vislumbre da próxima geração de dispositivos leves e de alta eficiência. Segundo o estudo:

“Prevemos que este trabalho abrirá uma nova via para aproveitar materiais naturais semelhantes à água na construção de dispositivos hidrovoltaicos e avançar aplicações em larga escala sem necessidade de terra.”

Mas antes de mergulharmos nesta pesquisa, vamos primeiro observar o que tem acontecido nesse campo.

Estado da Arte em Geradores de Eletricidade por Gotas (DEGs)

Gotas de água em movimento, como as de chuva, são onipresentes e carregam uma quantidade considerável de energia cinética, o que demonstra potencial para geração sustentável de eletricidade. Para colher a energia cinética das gotas de água, pesquisadores têm focado seus esforços nos DEGs.

O gerador de eletricidade baseado em gotas (DEG) é uma tecnologia poderosa e tem mostrado potencial como um método eficiente de colher energia do ambiente natural. 

Ele utiliza gotas de água que caem para gerar eletricidade. Tipicamente, consiste em duas camadas triboelétricas e um par de eletrodos, onde as cargas são separadas quando uma gota de água impacta a superfície e depois desliza.

O baixo custo, a estrutura simples e a alta densidade de potência dos DEGs os tornaram populares entre os pesquisadores para colher energia cinética de fontes de água ambientais. 

No entanto, sua ampla aplicação é obstruída pela estrutura complexa e baixa densidade de potência de saída. A aplicação limitada ao uso em terra também os torna impráticos para lagos, rios e oceanos.

Outros desafios dos DEGs incluem degradação significativa de desempenho ao longo do tempo em sistemas integrados, problemas de durabilidade dos materiais e a grande pegada espacial necessária para aplicações em larga escala.

Deslize para rolar →

Portanto, a pesquisa continua focada em melhorar a eficiência por meio de designs melhores, usando água natural como parte da estrutura ou otimizando materiais, com inovações recentes criando dispositivos leves, econômicos e até flutuantes. 

Alguns anos atrás, uma equipe de pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu² um DEG com estrutura semelhante a um transistor de efeito de campo (FET) que alcançou alta eficiência de conversão de energia. Sua densidade de potência instantânea foi muito maior, cerca de milhares de vezes maior, do que a de seus concorrentes sem estrutura FET‑like. 

O trabalho deles teve dois fatores chave; um foi a descoberta de que quando gotas de água contínuas incidem sobre a superfície de politetrafluoretileno (PTFE), um material dielétrico com carga elétrica quase permanente, as cargas de superfície produzidas se acumulam e gradualmente atingem saturação. Isso ajudou a equipe a superar a baixa densidade de carga anteriormente encontrada fornecendo uma nova forma de acumular e armazenar cargas de superfície de alta densidade.

O outro fator foi o design, cuja característica principal era um conjunto único de estruturas semelhantes a um FET. O dispositivo é composto de um eletrodo de alumínio e um eletrodo PTFE/ITO, que envolve um eletrodo de óxido de índio e estanho (ITO) com um filme de PTFE depositado sobre ele. Quando uma gota atinge a superfície PTFE/ITO e se espalha, ela faz ponte entre ambos os eletrodos, transformando o sistema em um circuito elétrico fechado.

O design permitiu que uma alta densidade de cargas de superfície fosse coletada no PTFE. E quando a água em expansão conecta os dois eletrodos, as cargas armazenadas no PTFE são totalmente liberadas para produzir uma corrente elétrica.

Enquanto o design da CityU focava em aumentar o acúmulo de carga, outra equipe da Academia Chinesa de Ciências simplificou a arquitetura do DEG para torná‑lo mais escalável.

A equipe de pesquisadores chineses propôs³ um DEG com estrutura aberta simples para aproveitar totalmente o efeito de auto‑capacitância do eletrodo superior e promover sua aplicação mais ampla.

A questão é que é difícil fornecer energia continuamente para o equipamento elétrico por um único ou vários DEGs. 

Como a equipe observou, ao colher energia de gotas de chuva em larga escala em edifícios inclinados como galpões, um método simples é conectar todos os DEGs em paralelo para alimentar a carga, como uma lâmpada. Portanto, com referência à estrutura de célula de um painel solar e aproveitando ao máximo o efeito de auto‑capacitância do eletrodo superior, eles introduziram o SCE‑DEG com estrutura aberta simples, que é basicamente composto de um eletrodo superior e inferior, filme PTFE e carga. 

Os eletrodos aqui não precisam conectar entre si, mas alta potência instantânea ainda pode ser obtida pelo efeito de auto‑capacitância do eletrodo superior, tornando a estrutura muito mais simples e conveniente para popularização em larga escala.

Quando testado, ele pôde produzir 212 mW de potência de saída com uma gota de água de 61 µL e pode iluminar 100 LEDs comerciais.

Mais recentemente, pesquisadores do KTH Royal Institute of Technology, Suécia, ajustaram os eletrodos inferiores do DEG⁴ para tornar sua área comparável à área de espalhamento das gotas de água que incidem, o que dobrou a potência média de saída das células individuais.

A equipe também fabricou arrays em larga escala (30 células) que alcançaram cerca de 2,5 vezes mais potência que os arrays de última geração. Além disso, integraram um array de micro‑supercapacitores (MSC) de 400 células para armazenar a eletricidade gerada pelo array de 30 células com eficiência de 21,8%, sem usar nenhum chip de gerenciamento de energia.

Essa integração cria um sistema de energia auto‑carregável (SCPS) com potência de saída de 81,2 µW. 

Após o array de 30 células do DEG carregar o array de 400 MSC por apenas 30 segundos, o SCPS integrado pode alimentar um LED continuamente por 60 segundos, “sugerindo o potencial da estratégia de integrar arrays de DEG em larga escala com arrays de MSC ultrarrápidos para construir SCPSs de alta eficiência na colheita de energia da água natural para aplicações práticas.”

Floating W‑DEG: Um Caminho Leve e Econômico para Energia Alimentada por Chuva

Agora, pesquisadores da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Nanjing desenvolveram uma nova solução, um DEG flutuante que usa água natural como parte chave de sua estrutura, fornecendo assim um caminho leve, acessível e ecológico para a produção de energia renovável.

Em vez de ter um filme dielétrico sobre uma base rígida com um eletrodo metálico abaixo, o novo design utiliza a água como base de suporte e eletrodo condutor simultaneamente. Essa abordagem, arquitetura eletrodo‑superior‑dielétrico‑água, reduz tanto o peso do material quanto o custo em 87% e 50%, respectivamente, em comparação com modelos mais antigos, mantendo um nível semelhante de saída elétrica e demonstrando grande durabilidade em diferentes ambientes de operação. 

Publicado na National Science Review⁵, o estudo detalha a rota de design “integrado à natureza” que levou ao desenvolvimento de um novo DEG flutuante integrado à água (W‑DEG) que aproveita as funções elétricas e estruturais da água.  

O funcionamento é o seguinte: quando gotas de chuva, uma fonte de água doce que transporta energia não utilizada, pousam na superfície dielétrica flutuante, um filme de fluoropolietileno (FEP) responde imediatamente. Por ser quimicamente inerte, o fino filme de FEP resiste a variações extremas de temperatura, corrosão e ao crescimento de algas e bactérias.

À medida que a gota se espalha, cria um fluxo de íons, provocando a transferência de carga entre a região superior e a região inferior, gerando uma quantidade muito pequena de eletricidade. A superfície se restabelece quando a gota quica.

As propriedades naturais da água aqui fornecem a estabilidade mecânica necessária para absorver o impacto e permitir que as gotas se espalhem eficientemente, sem dobrar ou romper. 

Essas propriedades naturais incluem alta tensão superficial e incompressibilidade. A água é considerada quase incompressível, o que significa que não se comprime muito sob pressão. Enquanto isso, a forte coesão entre as moléculas de água, causada pelas ligações de hidrogênio, gera alta tensão superficial.

Íons dentro da água, por sua vez, atuam como portadores de carga, permitindo que ela funcione como um eletrodo confiável. 

Juntos, esses recursos permitem que o gerador flutuante gere tensões de pico de cerca de 250 volts por gota, comparáveis ao desempenho de designs rígidos tradicionais que utilizam metal.

O design também é durável, com testes mostrando que o gerador manteve desempenho em condições variadas, incluindo diferentes concentrações de sal (até 500 mM de cloreto de sódio), temperaturas e até exposição a água de lago ao ar livre com bioincrustação —um problema considerável para dispositivos marinhos.

Enquanto muitos dispositivos de energia degradam em ambientes hostis, o gerador flutuante continua operando de forma estável graças à resiliência da estrutura baseada em água e à inércia química da camada dielétrica.

Quando testado em água altamente salina, o gerador manteve sua funcionalidade após uma semana de implantação. E se algum detrito se depositar sobre ele, uma simples limpeza o devolve ao desempenho máximo.

Para aumentar ainda mais a estabilidade do dispositivo, a equipe aproveitou a alta tensão superficial da água para projetar furos de drenagem que permitem que a água escorra para baixo em apenas uma direção. Assim, usando gravidade e tensão superficial, a equipe pode mitigar o acúmulo de contaminantes e mantê‑lo limpo, criando assim um sistema autorregulador para remover quaisquer gotas excedentes. Dessa forma, evita‑se o acúmulo de água, que poderia reduzir a saída.

Outro aspecto fundamental do floating W‑DEG é a escalabilidade. Com um tamanho de 0,3 m², os pesquisadores demonstraram um gerador de gotas muito maior que os relatados anteriormente . Com cada um desses geradores produzindo ~250 volts por gota, eles podem alimentar 50 LEDs simultaneamente.

Além disso, o sistema também conseguiu carregar capacitores a tensões úteis em poucos minutos. A equipe pilotou 10 dispositivos W‑DEG e simulou chuva usando 120 gotejadores de chuva falsos, em seguida carregou o capacitor até três volts, demonstrando seu potencial para alimentar sensores sem fio e pequenos eletrônicos. 

Com desenvolvimento adicional, esses sistemas poderiam ser usados para colher eletricidade renovável de lagos, reservatórios ou regiões costeiras sem ocupar valiosos recursos terrestres .

“Ao permitir que a própria água desempenhe papéis estruturais e elétricos, desbloqueamos uma nova estratégia para geração de eletricidade por gotas que é leve, econômica e escalável”, disse o co‑autor do estudo, Professor Wanlin Guo. “Isso abre a porta para sistemas hidrovoltaicos sem terra que podem complementar outras tecnologias renováveis como solar e eólica.”

Em regiões que experimentam chuvas frequentes, o gerador de eletricidade por gotas flutuante poderia fornecer uma solução de energia distribuída que alimenta aplicações off‑grid ou complementa redes locais. 

Comparado a um gerador de gotas tradicional, que custa cerca de 210 yuan (aproximadamente US$ 29,50) por metro quadrado e pesa mais de quatro quilogramas (cerca de 8,818 libras), a versão flutuante da equipe custa cerca de 106 yuan (menos de US$ 15) e pesa apenas 0,5 quilograma (1,1 libra).

Além da captação de água da chuva, o dispositivo pode ter outras aplicações graças à sua capacidade de flutuar naturalmente na superfície da água. Por exemplo, pode ser implantado em ambientes aquáticos diversos para alimentar sistemas de monitoramento ambiental como sensores que rastreiam poluição, qualidade da água ou salinidade. 

Seu “design integrado à natureza”, onde o material abundantemente natural é usado como componente funcional, também poderia inspirar novas abordagens em tecnologias ecológicas.

Mas antes que o dispositivo possa ser implantado em larga escala, há desafios que precisam ser abordados primeiro. O tamanho e a velocidade variáveis das gotas reais significam que o desempenho do dispositivo pode ser afetado. Além disso, é necessário mais engenharia para garantir a robustez e durabilidade de grandes filmes dielétricos em condições externas dinâmicas. 

Apesar desses desafios, os resultados de laboratório têm sido promissores, e a demonstração de um protótipo eficiente, durável e escalável marca um passo importante rumo a aplicações práticas do DEG flutuante integrado à água (W‑DEG).

Investindo em Tecnologia de Captação de Água

Xylem (XYL ) é uma empresa global de tecnologia de água focada em gestão inteligente de água, envolvida em integrar sensores, monitoramento e sistemas de fluxo de água.

Seu segmento de Infraestrutura de Água oferece produtos como equipamentos de tratamento, água, águas residuais e bombas e controles de água pluvial. O segmento de Água Aplicada cobre produtos incluindo bombas, válvulas, trocadores de calor e equipamentos de dispensação, enquanto seu segmento de Soluções de Medição & Controle (MCS) desenvolve soluções avançadas para uso inteligente de recursos críticos, além de instrumentação analítica para teste de água. O segmento de Soluções Integradas & Serviços fornece sistemas de equipamentos para indústrias e municípios.

Xylem também utiliza IA para monitorar o fluxo de água e detectar vazamentos em tempo real. Isso permite que problemas sejam detectados a tempo e então corrigidos rapidamente, economizando água e reduzindo custos.