Células de Combustível Fúngicas Criadas com Ajuda da Impressão 3D

As baterias são a força motriz por trás do nosso presente e futuro tecnologicamente avançados. Afinal, elas alimentam tudo, desde nossos controles remotos, câmeras, telefones, laptops e veículos elétricos até equipamentos, robótica e armazenamento de energia.

À luz dos variados casos de uso das baterias, seu tamanho de mercado cresceu para ser avaliado em $134.62 billion em 2024 e projeta-se que continue a expandir a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 16.4% até 2030.$134.62 billion in 2024 e is projected to further expand at a compound annual growth rate (CAGR) of 16.4% by 2030.

Com a demanda por baterias crescendo consistentemente, o foco agora está em melhorar a tecnologia para oferecer maior densidade de energia, melhor segurança, vida útil mais longa e tempo de carga reduzido.

Isso ocorre devido ao aumento dos resíduos eletrônicos, que se estima alcançar 74.7 Mt até o final desta década devido ao descarte de eletrônicos com componentes que não se degradam facilmente ou não são facilmente recicláveis.

Ao mesmo tempo, os materiais não renováveis estão diminuindo rapidamente, criando uma necessidade urgente de novas fontes de energia sustentáveis que possam ser processadas de forma eficiente e tenham impacto mínimo no meio ambiente.

Para atender à necessidade urgente de desenvolver eletrônicos verdes que utilizem materiais não tóxicos, mais ecológicos e renováveis em seus componentes, pesquisadores da Empa criaram uma bateria fúngica biodegradável que, ao invés de ser carregada, precisa ser alimentada. Esta bateria viva, que é impressa em 3D, poderia fornecer energia a sensores usados na agricultura ou em pesquisas em regiões remotas. Depois que esta bateria fúngica cumpre sua função, ela se digere de dentro para fora.

Essas bio-baterias ou células de combustível microbianas (MFCs) utilizam o metabolismo redox dos microrganismos para gerar energia.

Os microrganismos usados nesses tipos de células de combustível metabolizam matéria orgânica como águas residuais ou açúcares e, na ausência dessa matéria, utilizam energia luminosa e fotossíntese. Uma MFC consiste em um ânodo e um cátodo, que podem ser separados por uma membrana de troca de prótons (PEM) ou deixados abertos em um dispositivo de compartimento único.

Além de dispositivos de sensoriamento remoto e monitoramento ambiental, as MFCs são de interesse para aplicações como eletrônicos vestíveis e dispositivos de diagnóstico biomédico. Elas são particularmente benéficas em aplicações autônomas que não precisam de acesso à rede elétrica principal.

Bacterianas, algais e arqueais são alguns tipos de MFCs. No que diz respeito às MFCs fúngicas, aquelas com leveduras e fungos de podridão branca foram estudadas, mas ainda não foram combinadas até agora.

Fungos: Uma Área de Interesse em Crescimento

O foco deste projeto de pesquisa de três anos são os fungos, que são organismos eucarióticos, ou seja, suas células possuem organelas membranosas e núcleos bem definidos. Os fungos não pertencem ao reino vegetal e são distinguidos de todos os demais organismos vivos.

Os cogumelos são os fungos mais facilmente reconhecidos. Outros tipos incluem leveduras, ferrugens, mofos e bolores. Os fungos estão realmente em todo lugar: no solo, no ar, em lagos, mares, plantas, animais, alimentos e no corpo humano. Juntamente com as bactérias, eles ajudam a decompor a matéria orgânica e liberam oxigênio, carbono, fósforo e nitrogênio no solo e na atmosfera.

Em nosso dia a dia, eles são comumente usados para produzir pão, vinho, cerveja e certos queijos, além de alimentos ricos em proteína. Os fungos também contribuem significativamente para o manejo de doenças, mas, ao mesmo tempo, são responsáveis por patógenos causadores de doenças.

Estudos sobre fungos nos ajudaram a obter conhecimento fundamental de biologia e continuam sendo uma área de interesse para o estudo da biologia celular e molecular, engenharia genética e outras disciplinas básicas da biologia.

No campo médico, os cogumelos mágicos são de particular interesse devido à presença de psilocibina, um alcaloide psicodélico natural que tem efeitos alucinógenos. Como compartilhamos em nosso artigo recente, uma explosão de pesquisas está explorando o uso da psilocibina para tratar transtornos mentais e psicológicos.

A capacidade dos fungos de transformar materiais orgânicos em produtos úteis também despertou grande interesse na biotecnologia fúngica, onde podem ajudar a avançar a transição para uma economia circular baseada em biotecnologia.

Ao oferecer soluções para garantir, estabilizar e melhorar o suprimento de alimentos para a crescente população humana, ao mesmo tempo que reduz as emissões de gases de efeito estufa, a biotecnologia fúngica tem o potencial de contribuir significativamente para a mitigação das mudanças climáticas.

Embora os fungos tenham recebido muita atenção em diferentes áreas, o mesmo não pode ser dito no campo da ciência dos materiais, onde permanecem sub‑researchados e, claro, subutilizados, o que pode finalmente mudar à medida que os pesquisadores usam fungos para gerar eletricidade.

O estudo mais recente demonstra o desenvolvimento de uma bateria fúngica funcional, que, embora não produza muita eletricidade, pode gerar energia suficiente para alimentar um sensor de temperatura por vários dias. Esses tipos de sensores são usados em pesquisas ambientais ou na indústria agrícola.

Ao contrário das baterias tradicionais, esta bateria fúngica é completamente não tóxica e biodegradável, tornando-a uma opção ecologicamente correta.

BioBateria: A Eletrônica Verde Chegou

A bateria baseada em orgânicos dos Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais, uma instituição de pesquisa voltada para ciência e tecnologia de materiais aplicados, facilitou o metabolismo fúngico e a geração de energia associada.

Fonte: ACS

A célula viva aqui é uma célula de combustível microbiana. Microrganismos, assim como qualquer ser vivo, convertem nutrientes em energia, e as células de combustível microbianas (MFCs) também utilizam esse metabolismo para gerar energia e então capturam parte dela como eletricidade.

As células de combustível microbianas foram alimentadas principalmente por bactérias até agora, quando, pela primeira vez, pesquisadores da Empa “combinaram dois tipos de fungos” cujo metabolismo funciona muito bem em conjunto “para criar uma célula de combustível funcional”.

Os pesquisadores usaram um fungo de levedura no lado do ânodo, onde seu metabolismo libera elétrons, e um fungo de podridão branca foi usado no lado do cátodo, onde produz uma enzima especial que permite a captura de elétrons e que então é conduzida para fora da célula.

Os pesquisadores incorporaram fungos na bateria como parte integral da célula desde o início. Eles usaram impressão 3D para fabricar os componentes da bateria fúngica, o que lhes deu total liberdade geométrica para imprimir dispositivos de forma e formato arbitrários que podem ser integrados perfeitamente com outros componentes eletrônicos.

Dessa forma, eles puderam estruturar os eletrodos de maneira específica, permitindo que os microrganismos acessem os nutrientes da forma mais fácil possível.

Agora, a maneira de fazer isso foi misturando células fúngicas na tinta de impressão. Isso significa superar o desafio de não apenas encontrar um material no qual os fungos cresçam bem, mas também extrusar a tinta sem matar as células.

“Claro, queremos que seja eletricamente condutiva e biodegradável.”

– Gustav Nyström, Chefe do laboratório de Celulose e Materiais de Madeira

Para torná-las eletricamente condutoras, a equipe adicionou negro de carbono e flocos de grafite às tintas.

Com ampla experiência em impressão 3D de materiais macios e baseados em biotecnologia, a equipe conseguiu produzir uma tinta à base de celulose (tintas fúngicas de hidrogel) adequada para a tarefa. O estudo observou que utilizar celulose para imprimir em 3D eletrodos fúngicos é uma nova forma de canalizar a atividade metabólica dos fungos para uso potencial em dispositivos eletroquímicos.

A celulose é um polímero abundante, de baixo custo, renovável e biodegradável que é derivado de algas, bactérias, madeira e tunicados. Ela tem sido usada com sucesso na fabricação de vários tipos de eletrônicos baseados em orgânicos.

As células fúngicas podem até usar a celulose como nutriente, o que ajuda a decompor a bateria após o uso. Sua principal fonte de nutrientes, porém, eram açúcares simples, que são adicionados posteriormente às células da bateria.

“Você pode armazenar as baterias fúngicas em estado seco e ativá‑las no local simplesmente adicionando água e nutrientes.”

– Pesquisadora da Empa Carolina Reyes, microbiologista treinada

De acordo com o estudo, essas biobaterias podem produzir de 300 a 600 mV por vários dias. Ao conectar quatro baterias em paralelo, um pequeno sensor pode ser alimentado por 65 horas.

A equipe havia desenvolvido materiais, tintas e dispositivos em trabalhos anteriores para um novo ramo de eletrônicos verdes, incluindo displays, sensores, baterias e supercapacitores. Com este estudo, eles ampliaram as possibilidades do que alcançaram em experimentos anteriores, nos quais forneceram dispositivos que podiam armazenar energia elétrica e gerar energia em um sistema ambientalmente seguro.

Na próxima fase, os pesquisadores visam tornar a bateria fúngica mais potente e duradoura, bem como tornar o dispositivo totalmente imprimível em 3D. Eles também investigarão outros tipos de fungos mais adequados ao propósito de fornecer eletricidade e preparar seu dispositivo para uso em aplicações práticas no campo.

Agora, vamos dar uma olhada em alguns players‑chave que atuam nos mercados de baterias e impressão 3D.

1. Proto Labs, Inc. (PRLB )

Um fornecedor de serviços abrangentes de manufatura digital, a Proto Labs se especializa em manufatura avançada e serviços de impressão 3D para fabricar peças personalizadas para seus clientes.

A Proto Labs iniciou este ano expandindo para produção de serviço completo, o que a empresa chama de “uma evolução natural”. Isso se traduzirá em melhor controle de qualidade e opções de preços mais vantajosas, ao mesmo tempo em que foca em certificações da indústria, permitindo que a empresa atenda os clientes do início ao fim. O catalisador para essa expansão, Eric Utley, gerente de engenharia de aplicações de impressão 3D na Proto Labs, foi a aquisição da 3D Hubs em 2021, que aumentou sua base de soluções.

Com a sustentabilidade se tornando uma preocupação global urgente e todos — consumidores, empresas e reguladores — trabalhando para reduzir sua pegada ambiental ao optar por materiais reciclados, a Proto Labs também introduziu materiais plásticos feitos com conteúdo reciclado em sua oferta CNC. Isso permite que os usuários evitem usar materiais virgens para prototipagem sem custo adicional.

Com uma capitalização de mercado de $937.75 million, as ações da Proto Labs estão atualmente sendo negociadas a $38.26, queda de 2.12% no ano. Ela tem um EPS (TTM) de 0.94 e um P/E (TTM) de 40.69.

Para o terceiro trimestre de 2024, a empresa reportou uma receita de $125.6 million, uma queda de 3.9% em comparação com sua receita recorde de $130.7 million no mesmo trimestre do ano anterior. O lucro líquido do trimestre foi de $7.2 million. Enquanto isso, o fluxo de caixa operacional foi o mais alto desde 2020, antes da aquisição da 3D Hubs pela Proto Labs.

O lucro por ação não‑GAAP do terceiro trimestre foi de $0.47, enquanto o EPS ajustado YTD foi relatado como tendo aumentado mais de 10% ano a ano com receita estável. No total, a Protolabs atendeu a 22,511 contatos de clientes. O saldo de caixa e investimentos, em 30 de setembro de 2024, era de $117.6 million.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

A BYD, com sede na China, está principalmente envolvida na fabricação e venda de equipamentos de transporte, mas também atua na produção de baterias recarregáveis, produtos fotovoltaicos e dispositivos eletrônicos de uso diário.

Com uma capitalização de mercado de $105.57 billion, as ações da BYD estão atualmente sendo negociadas a $33.33, queda de 1.99% no ano. Ela tem um EPS (TTM) de 1.66 e um P/E (TTM) de 20.08, enquanto o rendimento de dividendos é de 1.31%.

De acordo com os dados mais recentes divulgados, a BYD ocupa o segundo lugar com 23.19% de participação na capacidade instalada de baterias de energia na China, que atingiu 17.49 GWh. O total de instalações de baterias de energia no país chegou a 75.4 GWh, um aumento de 57.3% ano a ano. No ano completo de 2024, a BYD ficou em segundo lugar com 24.74% de participação, enquanto a CATL manteve sua posição com 45.08% de participação.

A principal produtora de baterias recarregáveis, a BYD oferece baterias de íon‑lítio, baterias NiMH e baterias NCM, que têm uma ampla variedade de usos, incluindo eletrônicos de consumo, veículos de nova energia e armazenamento de energia. O ponto crítico aqui é que a empresa possui toda a cadeia de suprimentos, permitindo-lhe ter melhor controle sobre qualidade e custo.

A BYD está pronta para lançar a nova geração da bateria Blade para veículos elétricos este ano, que será usada nos futuros veículos da empresa. A primeira geração da bateria Blade foi introduzida pela BYD em 2020, e sua geração atual é usada pela BYD para alimentar seus veículos elétricos, bem como por outros fabricantes como Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia e Hyundai.

Em comparação com as baterias de íon‑lítio convencionais, essas baterias de íon‑lítio de fósforo (LFP) são mais econômicas e ajudaram a BYD a introduzir modelos de veículos elétricos de baixo custo que impulsionaram seu crescimento. A próxima geração das baterias Blade será ainda mais compacta, eficiente, segura e oferecerá maior autonomia.

No que diz respeito ao negócio automotivo da empresa, a BYS vendeu um número recorde de veículos elétricos e híbridos globalmente no ano passado, enquanto seu maior rival, a Tesla, vendeu 4.3 million. O fabricante de automóveis mais vendido da China realmente vendeu 1.76 million pure EVs in 2024 while it faces fierce competition in the home market, which has been propelled forward by hundreds of billions of dollars in government subsidies over the past decade.

Quanto à receita da empresa, no terceiro trimestre de 2024, o fabricante chinês de veículos elétricos, que deixou de produzir veículos com motor a gasolina em 2022, registrou um aumento de 11.5% no lucro líquido, que subiu para $1.63 billion, enquanto sua receita aumentou 24% em relação ao ano anterior, chegando a $28.24 billion.

Conclusão

As baterias, um componente importante dos eletrônicos atuais, bem como dos veículos elétricos, redes celulares intuitivas e missões espaciais profundas, estão impulsionando a revolução tecnológica. No entanto, o rápido crescimento dos resíduos eletrônicos e a diminuição dos materiais não renováveis exigem que desenvolvamos produtos baseados em recursos naturais renováveis, que está se tornando a área de foco, como vimos hoje com pesquisadores recorrendo a materiais orgânicos como fungos para construir baterias.

Os fungos, que há muito enriquecem a vida na Terra e moldam nosso futuro, têm visto uma onda crescente de interesse graças ao seu papel de liderança na reciclagem e transformação de materiais. Eles oferecem soluções para promover a transição verde para uma economia circular baseada em biotecnologia, introduzindo novos conceitos para garantir a saúde humana, vegetal e animal.

Embora os fungos tenham sido explorados e usados na agricultura, medicina e biotecnologia, o estudo mais recente marca um grande avanço no campo da ciência dos materiais e da eletroquímica microbiana. Ele o faz ao usar materiais ecologicamente corretos em sua construção e ao criar oportunidades para imprimir em 3D vários eletrodos fúngicos à base de celulose para uso em células de combustível microbianas.

Avanços como esses abordam desafios ambientais urgentes e abrem novas possibilidades para projetar sistemas de armazenamento de energia de alto desempenho baseados em biotecnologia, ajudando‑nos a chegar mais perto de alcançar uma economia verdadeiramente sustentável e circular.

Clique aqui para uma lista das principais ações de baterias.