A Geada Pode Parecer Comum, Mas Causa Estragos no Setor Aeroespacial. O Grafeno Pode Mudar Isso.

Todo ano, a geada chega e cria paisagens bonitas e serenas. Essa fina camada de gelo se forma em uma superfície sólida, como o solo, quando a temperatura cai para níveis de congelamento ou abaixo.

Quando o ar contém mais vapor d’água do que consegue reter em uma temperatura específica, a geada se forma.

Embora bonita, a geada também pode ser potencialmente perigosa. Não só pode ser um incômodo remover as superfícies escorregadias, como também gera outros problemas graves, como sensores de veículos comprometidos, redução da eficiência energética de geladeiras e freezers, peso adicional em linhas de energia que pode causar apagões e danos ao seu precioso jardim de vegetais e flores.

Isso não é tudo. A geada também afeta negativamente as aeronaves ao reduzir a velocidade de estol, diminuir a eficiência de controle e desestabilizar o pitch, o que pode levar a acidentes. Além disso, interfere nas decolagens ao alterar as características aerodinâmicas das asas, tornando os voos perigosos ou até impossíveis.

Embora Tony Stark em Homem de Ferro possa usar o acúmulo de gelo em seu traje a seu favor contra seu oponente, isso simplesmente não é possível para nós em nossas vidas cotidianas.

O que precisamos é de uma solução eficaz para esse problema de centenas de bilhões de dólares, e engenheiros da Northwestern University encontraram uma. Eles desenvolveram uma estratégia que impede a formação de geada desde o início.

Alcançando Regiões Sem Geada por Longos Períodos de Tempo

Então, qual é a solução? Bem, um dos principais componentes da solução que os engenheiros da NU descobriram gira em torno do grafeno.

Extraído do grafite, o grafeno é composto de carbono puro, um dos elementos naturais mais importantes e o quarto mais abundante.

Esse material é particularmente conhecido por ser leve. Com apenas um átomo de espessura, o grafeno é o composto mais fino conhecido. Também é bastante resistente, cerca de 100 a 300 vezes mais forte que o aço. Além de sua flexibilidade, o grafeno é o melhor condutor de eletricidade e é renomado por sua absorção uniforme de luz.

Todas essas características conferem ao grafeno aplicações promissoras em áreas como compósitos, eletrônica, sensores e imagens, energia, telecomunicações e tecnologias biomédicas.

Pesquisadores da Northwestern University estão agora usando esse material para combater a geada. Especificamente, eles utilizam óxido de grafeno (GO), um composto proposto há mais de um século e meio e que tem sido usado nos últimos anos como material de partida potencial para a produção em massa de grafeno.

Esse nanomaterial à base de carbono, conhecido muito antes do grafeno, é produzido por meio da oxidação química do grafite natural por oxidantes fortes.

No novo estudo, os engenheiros descobriram que mudar a textura de uma superfície e então adicionar uma fina camada de GO impede completamente a formação de geada nas superfícies por uma semana, potencialmente ainda mais tempo.

O que o óxido de grafeno faz é atrair e então aprisionar o vapor d’água — água em forma gasosa — dentro de sua estrutura, impedindo efetivamente que a água congele. Quando combinado com uma superfície macrotexturizada, isso gera um período prolongado de alta supersaturação.

Essa prevenção de geada por uma semana é mil vezes mais longa do que a alcançada pelas superfícies anti-geada avançadas existentes. Além disso, o novo design de superfície, que é escalável, também é resistente a arranhões, fissuras e contaminação.

Incorporar essa superfície texturizada na infraestrutura pode ajudar empresas e governos a economizar bilhões de dólares anualmente em ineficiências energéticas e evitar custos de manutenção, estimam os pesquisadores. Segundo o líder do estudo, Kyoo-Chul Kenneth Park, professor assistente de engenharia mecânica na McCormick School of Engineering da NU:

“O acúmulo indesejado de geada é uma preocupação importante nos setores industrial, residencial e governamental.”

Neste ano fiscal, a universidade garantiu um recorde de US$ 1,05 bilhão em financiamento de pesquisa, um aumento de 5% em relação ao ano passado.

Park apontou que a crise energética de 2021 no Texas custou impressionantes US$ 195 bilhões em danos, resultado direto de gelo, geada e condições de frio extremo por mais de 5 dias, afetando 4,5 milhões de residências.

“Portanto, é fundamental desenvolver técnicas anti-geada, que sejam robustas por longos períodos em condições ambientais extremas.”

– Park, afiliado docente do International Institute for Nanotechnology e do Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy

Entretanto, não precisamos apenas de técnicas anti-geada, mas também de soluções fáceis de fabricar e implementar. Com isso em mente, os pesquisadores criaram seu método híbrido anti-geada, que é durável, escalável, fácil de fabricar via impressão 3D e pode impedir a formação de geada por semanas.

Combinando a Geometria das Folhas com as Propriedades Higroscópicas do GO

O novo estudo realmente se baseia no trabalho anterior da equipe de Park em 2020, durante o qual descobriram que mudar a textura reduz a formação de geada em até 60%. Enquanto isso, adicionar texturas em escala milimétrica — séries otimizadas e irregulares de picos e vales observadas na natureza — a uma superfície pode reduzir a formação de geada em até 80%.

Para essa descoberta, os engenheiros se inspiraram na geometria das folhas de hortelã. Como Park explicou na época, as regiões convexas de uma folha apresentam mais formação de gelo do que as regiões côncavas (veias), que na verdade recebem “muito menos geada”.

Embora isso tenha sido observado há muito tempo, não havia explicação sobre por que e como isso acontece. Ele disse:

“Descobrimos que é a geometria — não o material — que controla isso.”

A geometria ondulada das folhas faz com que a geada se forme nos picos, onde a condensação é intensificada, mas raramente nos vales, onde a condensação é suprimida. Qualquer pequena quantidade de água condensada nos vales de superfícies onduladas evapora, resultando em uma área livre de geada.

Curiosamente, mesmo usando um material de superfície que atrai água, o mesmo resultado é observado: a água evapora dos vales quando está abaixo do ponto de congelamento.

Usando essa informação, a equipe buscou encontrar a textura de superfície ideal, que era uma superfície contendo picos e vales de altura milimétrica com ângulos de apenas 40 a 60 graus entre eles.

A fina camada de geada que ainda se forma nos picos dessa superfície pode ser descongelada com consideravelmente menos energia e elimina a necessidade de usar revestimentos de superfície ou líquidos com pontos de congelamento mais baixos.

“A região sem geada inicia o processo de descongelamento. Assim, reduz os materiais e a energia usados para resolver problemas de geada.”

– Park

No novo estudo, a equipe introduziu óxido de grafeno (GO) na mistura, que é adicionado aos vales planos para reduzir completamente a formação de geada, mesmo nos vales.

O GO foi escolhido devido às suas excepcionais propriedades higroscópicas, que é a capacidade do material de atrair e reter moléculas de água por absorção. A taxa de absorção de vapor d’água do GO é 2 vezes maior que a do gel de sílica. Além disso, o GO possui a capacidade intrínseca de suprimir o congelamento de moléculas de água intercaladas através de efeitos de nanoconfinamento.

A nova superfície também possui pequenos protuberâncias, com distância pico a pico de 5 mm. Uma fina camada de GO, com apenas 600 micrômetros de espessura, é aplicada nos vales entre os picos. Segundo Park:

“O óxido de grafeno atrai vapor d’água e então confina as moléculas de água dentro de sua estrutura. Assim, a camada de óxido de grafeno funciona como um recipiente para impedir que o vapor d’água congele.”

Adicionar óxido de grafeno à superfície macrotexturizada ajudou a superfície a resistir à geada em alta supersaturação por um longo período, tornando a superfície híbrida experimental “uma zona estável, duradoura e livre de geada”.

Você pode assistir a uma demonstração desta técnica no YouTube aqui, que foi postada no canal oficial da NU:

Ele mostra como a geada se forma nos picos em forma de favo de mel da superfície enquanto os vales planos permanecem livres de geada. No vídeo, a superfície à direita tem uma fina camada de GO.

Para demonstrar a superioridade de seu método, a equipe de Park o comparou com outras superfícies anti-geada avançadas.

Em comparação com 100% de resistência à formação de geada por 150 horas, superfícies super-repellentes à água e impregnadas com lubrificante conseguiram resistir a apenas 5‑36% da formação de geada, e isso por apenas 5 horas. Além disso, há a questão da suscetibilidade de outras superfícies anti-geada a danos por arranhões ou contaminação, “o que degrada o desempenho da superfície ao longo do tempo.”

A superfície híbrida macrotexturizada com óxido de grafeno de Park, por outro lado, é robusta contra esses danos e, como tal, prolonga a vida útil da superfície.

Até o momento, não há uma abordagem “tamanho único” disponível no mercado devido às necessidades específicas de diferentes aplicações. Por exemplo, aviões precisam de apenas alguns segundos de resistência à geada em comparação com linhas de energia, que operam continuamente em ambientes frios e podem precisar de dias ou semanas de resistência à geada.

A nova técnica, segundo os pesquisadores, pode ser usada para projetar asas de aviões assim como linhas de energia com aderência de gelo reduzida, a fim de diminuir significativamente os custos de manutenção anuais. O método ainda pode ajudar a prevenir ineficiências energéticas e contribuir para a operação segura da infraestrutura em ambientes frios.

Protegendo a Infraestrutura de Climas Rigorosos

Climas frios trazem o conforto de cobertores quentes, chocolate quente e sentimentos festivos. Mas, ao mesmo tempo, trazem seu próprio conjunto de problemas, particularmente na forma de questões de saúde e danos à infraestrutura.

O acúmulo de gelo e neve pode comprometer o desempenho e a segurança de navios, para-brisas de carros, linhas de energia, turbinas eólicas e aviões. Por isso, os pesquisadores têm buscado soluções para esses problemas.

Superfícies que podem mitigar o crescimento de gelo, em particular, têm despertado grande interesse, como vimos no estudo mais recente, como uma alternativa econômica.

Como compartilhamos no início deste ano, pesquisadores da College of Engineering da Drexel também desenvolveram concreto auto-aquecido que limpa a neve e a chuva congelante por conta própria, sem necessidade de alguém raspar, remover ou salgar, o que afeta negativamente as superfícies por três anos.

Para ampliar a vida útil de rodovias e outras infraestruturas e economizar nos custos de manutenção, os pesquisadores usaram um material de mudança de fase (PCM) de baixa temperatura, a parafina líquida, para esse concreto auto-aquecido. Quando a temperatura cai para ∼0 °C ou 32 °F, o material libera calor e passa de líquido para sólido, resultando no derretimento gradual do gelo.

Em seguida, uma equipe de pesquisadores no Canadá desenvolveu uma superfície que repele a neve por conta própria ao combinar as propriedades de isolamento térmico e superhidrofobicidade. O grupo descobriu que o aerogel de sílica minimiza o derretimento da neve e impede a formação de camada adesiva de gelo, enquanto a superhidrofobicidade reduz a área de contato e repele gotículas de água fundida interfacial, diminuindo ainda mais a resistência de aderência da neve.

Em outro estudo, pesquisadores chineses focaram em superfícies superhidrofóbicas com excelente desempenho anti-congelamento e repelente de água em baixas temperaturas. Essas superfícies, ao contrário das amplamente estudadas superfícies superhidrofóbicas — particularmente por suas potenciais aplicações aeroespaciais — não são tão bem divulgadas.

Para criar essas superfícies, os pesquisadores gravaram arrays quadrados de micropilares em filmes de nanotubos de carbono multi-parede (MWCNT)/polidimetilsiloxano (PDMS), resultando em tripla anti-gelificação que permanece ativada mesmo a −40 °C.

Os pesquisadores acreditam que isso abre novas possibilidades para materiais biônicos inteligentes e multifuncionais em aplicações anti-gelo.

Um estudo separado sobre superfícies porosas impregnadas com líquido escorregadio (SLIPSs), amplamente usadas como abordagem passiva eficaz para reduzir desastres de congelamento, descobriu que certas características são fundamentais para a durabilidade. Pequenos poros (cerca de 100 nm), que exercem forte pressão capilar sobre o lubrificante, e alta porosidade (66%), que fornece uma grande relação de contato lubrificante-líquido, são particularmente benéficos para SLIPS anti-congelamento duráveis.

O revestimento inteligente de telhado para todas as estações é outro que mantém os edifícios aquecidos durante o inverno e frescos durante o verão. Esse revestimento não requer eletricidade ou gás; ele usa TARC, ou revestimento radiativo adaptativo à temperatura, que desliga o resfriamento radiativo no inverno automaticamente para garantir que não haja desperdício de energia.

Além de focar em superfícies, outros avanços na melhoria da infraestrutura, economizando custos de manutenção e protegendo o meio ambiente, envolvem telhas de telhado adaptativas, que apresentam um interruptor radiativo para responder a diferentes temperaturas.

Empresas a Observar

Agora, vamos analisar empresas que podem se beneficiar do desenvolvimento de tecnologias anti-geada, bem como aquelas que estão ajudando a avançar nesse campo.

No setor aeroespacial, Lockheed Martin (LMT ) é um nome popular, e superfícies resistentes à geada podem ajudar a melhorar o desempenho e a durabilidade tanto de suas aeronaves militares quanto comerciais. As ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 129,26 bilhões, estão atualmente sendo negociadas a US$ 545,35, alta de 20,32% neste ano. Ela possui um EPS (TTM) de 27,65, um P/E (TTM) de 19,73 e um rendimento de dividendos de 2,42%.

Boeing (BA ) é outra empresa do setor aeroespacial que também investe fortemente em tecnologias de degelo para melhorar a segurança e a eficiência. No entanto, as ações desta empresa de US$ 95 bilhões estão atualmente sendo negociadas a US$ 155,33, queda de 40,69% no ano até a data, devido aos seus aviões desmoronando e denunciantes morrendo.

Empresas como 3M (MMM ) também desempenham um papel importante devido ao seu envolvimento em inovações de materiais. As ações desta empresa, com capitalização de mercado de US$ 69 bilhões, estão em alta de 16,37% no ano até a data, sendo negociadas a US$ 127,22, com um EPS (TTM) de 7,63 e P/E (TTM) de 16,68, enquanto pagam um rendimento de dividendos de 2,20%.

1. Raytheon Technologies

A técnica baseada em óxido de grafeno da NU pode ajudar este fornecedor de tecnologia de aviação e defesa a melhorar operações seguras em ambientes frios. A Raytheon é uma empresa com capitalização de mercado de US$ 158 bilhões, cujas ações estão sendo negociadas a US$ 118,75, alta de 41,13%, com um EPS (TTM) de 3,52, um P/E (TTM) de 33,78 e um rendimento de dividendos de 2,12%.

Para o terceiro trimestre de 2024, as vendas foram relatadas em US$ 20,1 bilhões, alta de 6% em relação ao ano anterior, enquanto o backlog era de US$ 221 bilhões. Esse backlog incluía US$ 131 bilhões no segmento comercial e US$ 90 bilhões no segmento de defesa. O fluxo de caixa livre ao final do trimestre foi de US$ 2 bilhões, enquanto US$ 1,1 bilhão de capital foi devolvido aos acionistas.

2. Proto Labs

Para que essas novas tecnologias cheguem rapidamente ao mercado, precisam ser produzidas com a mesma rapidez. É aí que empresas como a Proto Labs (PRLB ) podem ajudar. Ela utiliza impressão 3D, modelagem por injeção e usinagem CNC para fabricar peças. Esta empresa, com capitalização de mercado de US$ 955,6 milhões, cujas ações estão sendo negociadas a US$ 38,75, está em queda de 2,46% e possui um EPS (TTM) de 0,94 e um P/E (TTM) de 40,30.

Para o terceiro trimestre de 2024, ela relatou US$ 125,6 milhões em receita, o que representou uma queda de 3,9% em relação ao terceiro trimestre do ano passado. O lucro líquido foi de US$ 7,2 milhões, enquanto o EBITDA foi de US$ 17,5 milhões. Atendeu a 22.511 contatos de clientes durante esse período. A empresa, porém, gerou seu maior fluxo de caixa operacional trimestral em quatro anos, o que o CEO Dan Schumacher disse ser “um testemunho da rentabilidade do modelo da Protolabs em qualquer cenário macroeconômico.”

Conclusão

A mais recente descoberta dos pesquisadores da Northwestern University, que reduz significativamente a formação de geada em qualquer superfície, tem um potencial considerável para tornar a vida das pessoas mais tranquila, ao diminuir o número de voos cancelados, que podem ser impedidos por uma fina camada de geada, e ao reduzir o uso de produtos químicos de degelo intensos.

Como uma ferramenta anti-geada robusta, a superfície híbrida macrotexturizada com GO pode ainda ajudar a diminuir a quantidade de energia e custo necessários para o descongelamento. Dessa forma, pode encontrar forte aplicação em indústrias que exigem longos períodos passivos de anti-geada, incluindo aeroespacial, distribuição de energia e transporte.

No geral, esses avanços na tecnologia anti-geada podem ajudar a fornecer soluções duráveis e sustentáveis para desafios climáticos que ocorrem todos os anos, o que, por sua vez, contribui para construir infraestruturas mais eficientes e resilientes e tem um impacto econômico significativo.

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