Hidrovoltaicos – Captando Eletricidade da Evaporação

Novas pesquisas mostram que dispositivos em escala nanométrica podem ser usados para captar eletricidade da evaporação de fluidos, revelando um grande potencial energético que ainda não foi devidamente aproveitado.

A evaporação é um processo natural. Em termos simples, é uma forma de vaporização que ocorre na superfície de um líquido ao se transformar em gás. Está presente ao nosso redor, mas raramente prestamos atenção a ela. 

Curiosamente, cerca de metade da energia solar que chega à Terra impulsiona processos evaporativos. A evaporação, que permite uma troca contínua de energia no ciclo global da água, é uma fonte de energia renovável que ainda não foi explorada, segundo o estudo.

A água, que está disponível em abundância, cobrindo mais de 70% da superfície do nosso planeta, contém toneladas de energia na forma de energia química, térmica e cinética, mas pouco dela é aproveitado. Quando se considera o potencial total de geração de energia da evaporação natural de lagos e reservatórios, os EUA sozinhos têm um potencial estimado de 325 GW. Isso representa mais de 69% da taxa de produção de energia elétrica dos EUA em 2015, aponta o estudo.

Portanto, ao longo de muitos anos, pesquisadores têm trabalhado para aproveitar o potencial energético da evaporação. Isso está sendo explorado por meio de diversos dispositivos, como geradores autoalimentados, sistemas híbridos e dispositivos em tandem. Pesquisas ao longo dos anos atraíram muita atenção para dispositivos hidrovoltaicos acionados por evaporação, especialmente com o avanço dos nanomateriais e da nanotecnologia.

Para isso, vamos entender o efeito HV, que permite que materiais nanostruturados gerem eletricidade ao interagir com a água. Água aqui pode ser desde gotículas, umidade, líquido até a própria evaporação. Assim, no efeito HV, a evaporação produz um fluxo constante dentro de nanocanais desses dispositivos. Esse efeito também é observado nas microcapilares das plantas, onde o transporte de água ocorre devido a uma combinação de pressão capilar e evaporação natural.

Quatro mecanismos são principalmente vistos como responsáveis por esse efeito HV: streaming, pseudo‑streaming, difusão de gradiente iônico e efeito de arrasto de elétrons. O efeito hidrovoltaico potencialmente amplia a capacidade técnica de captar energia da água e permite a criação de dispositivos autoalimentados. 

Agora, pesquisadores da universidade pública suíça EPFL (Instituto Federal de Tecnologia de Lausanne) receberam apoio financeiro da Fundação Nacional Suíça de Ciências (SNSF) via o Fundo de Cooperação Científica e Tecnológica Coreano‑Suíço e da Bolsa de Excelência do Governo Suíço. As instalações experimentais da EPFL, o Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) e o Centro de Micro‑NanoTecnologia (CMi), também estão envolvidas na captação de energia da evaporação de fluidos que contém concentrações mais altas de íons do que a água purificada.

O fato é que dispositivos hidrovoltaicos já existem, porém pouco se sabe sobre os fenômenos físicos que regem a produção de HV em escala nanométrica. Também falta compreensão funcional das condições, algo que este estudo pretende corrigir. 

Publicado no início deste mês na revista Cell Press Device, o estudo do Laboratório de Nanociência para Tecnologia de Energia (LNET) intitulado “Fenômenos interfaciais dependentes de salinidade para otimização de dispositivos hidrovoltaicos” foi conduzido por Giulia Tagliabue e Tarique Anwar.

O estudo experimentou modelagem multifísica para especificar fluxos de fluido, fluxos iônicos e efeitos eletrostáticos devido a interações sólido‑líquido, com o objetivo de otimizar dispositivos HV.

De acordo com Tagliabue, chefe do LNET na Escola de Engenharia, este é o primeiro estudo que quantifica fenômenos hidrovoltaicos graças à sua nova e altamente controlada plataforma. Esses fenômenos hidrovoltaicos são medidos demonstrando a importância de várias interações interfaciais. 

Durante esse processo, a equipe descobriu um grande achado: a capacidade dos dispositivos hidrovoltaicos de operar em uma ampla faixa de salinidades. Isso, observou Tagliabue, contradiz a crença anterior de que água altamente purificada é necessária para desempenho ótimo.

O Modelo Multifísico

Recentemente, estudos de fluxo de fluido impulsionado por evaporação em materiais microestruturados em escala nanométrica deram origem a uma nova forma de gerar energia renovável ou verde, que consiste em converter energia térmica em energia elétrica através de uma via eletrocinética. Melhorias relacionadas ao desempenho aqui são lideradas pela otimização dos contatos dos eletrodos. 

No entanto, a falta de ferramentas de modelagem e questões referentes às características geométricas e químicas do sistema limitam tanto o desempenho quanto a faixa de aplicação desta tecnologia emergente, dispositivos Hidrovoltaicos (HV), para geração de energia sustentável.

Assim, os pesquisadores desenvolveram um modelo multifísico quantitativo e aproveitaram arranjos ordenados de nanopilares de silício (Si NPs) que trouxeram à superfície o que antes era inexplorado. Notavelmente, o estudo constatou que a carga de superfície, dependente da concentração iônica juntamente com a mobilidade dos íons, é o que direciona múltiplos máximos locais na tensão de circuito aberto (VOC), com condições ideais divergindo das expectativas tradicionais de baixa concentração.

Além disso, assimetrias estruturais podem gerar um potencial eletrostático que aprimora o desempenho HV. Além disso, o estudo confirma a adsorção iônica e a inversão de carga para muitos cátions monovalentes, permitindo que tais dispositivos operem mesmo em altas concentrações. 

O dispositivo HV desenvolvido pela equipe de pesquisa consiste em arranjos regulares de escala centimétrica de Si NPs gravados em um wafer de Si tipo‑p. A equipe então utilizou uma combinação de litografia coloidal e gravação química assistida por metal (MACE) para fixar o passo do arranjo hexagonal de NPs enquanto variava seu comprimento e diâmetro na faixa de 1,23–4,4 μm e 420–560 nm, respectivamente. Ao mudar as dimensões dos Si NPs, eles puderam controlar diretamente a geometria dos nanocanais e a área de superfície sólido‑líquido conforme necessário.

O dispositivo hidrovoltaico neste estudo representa a primeira aplicação da técnica de litografia coloidal de nanocápsulas, permitindo que os pesquisadores formem uma rede hexagonal de Si NPs precisamente espaçados. Os espaços entre esses nanopilares de silício criaram a passagem perfeita para evaporar fluidos. Isso pode ser afinado ainda mais para entender melhor os efeitos do confinamento de fluido e da área de contato sólido/líquido.

Anwar, estudante de doutorado no LNET, explicou que a maioria dos sistemas fluidos com soluções salinas possui um número igual de íons positivos e negativos. Mas ao confinar o fluido em um nanocanal, podemos obter apenas aqueles “íons com polaridade oposta à da carga de superfície”. Assim, ao permitir que o líquido flua através do nanocanal, podemos gerar corrente e tensões, acrescentou.

Entender os mecanismos fundamentais de geração de tensão e corrente em dispositivos HV, entretanto, requer controle sobre as propriedades da interface sólido‑líquido e o nanoconfinamento do líquido, que é a geometria do nanocanal.

Em conclusão, o estudo mostrou uma alta densidade de potência de saída de 8 μW/cm² a 0,1 M, usando uma produção de energia comparável à de dispositivos operados com água da torneira, mas com “duas ordens de magnitude de concentrações” maiores do que jamais relatado antes. Isso abre caminho para a aplicabilidade mais ampla de sistemas HV em diferentes escalas de salinidade, com condições operacionais ótimas ditadas por fenômenos interfaciais distintos.

Como Tagliabue explicou, o equilíbrio químico da carga de superfície do nanodispositivo pode ser explorado para estender a operação de dispositivos HV ao longo da escala de salinidade. Portanto, à medida que a concentração iônica do fluido aumenta, a carga de superfície do nanodispositivo também aumenta, permitindo “usar canais de fluido maiores enquanto se trabalha com fluidos de alta concentração. Isso facilita a fabricação de dispositivos para uso com água da torneira ou água do mar, ao contrário de apenas água purificada,” disse Tagliabue.

Dessa forma, o estudo argumenta que oferece insight chave e uma ferramenta de design para otimizar dispositivos hidrovoltaicos acionados por evaporação (EDHV), apontando também para oportunidades de aplicação mais amplas desses sistemas autoalimentados.

O estudo afirma que a métrica de desempenho da tensão de circuito aberto (VOC) pode ser aumentada melhorando a taxa de evaporação. Dependendo da carga de superfície e da geometria do nanoconfinamento, a VOC pode ser dobrada com um aumento de 5 vezes na taxa de evaporação, o que significa que a potência pode ser aumentada em até quatro vezes. 

Isso ocorre principalmente por causa da melhoria na corrente de streaming, mas exigirá um conhecimento mais aprofundado da dinâmica dos fluidos nesses dispositivos para ser confirmado.

Aplicações Potenciais Empolgantes dos Dispositivos Hidrovoltaicos

O vapor d’água está em toda parte na Terra, oferecendo uma grande oportunidade, especialmente para geração de eletricidade e alívio da escassez de energia global. Para isso, dispositivos hidrovoltaicos podem ser usados para extrair energia por diferentes meios, como a construção de uma estrutura assimétrica. 

No entanto, a geração de energia depende das propriedades do líquido, incluindo seu tipo e a concentração de soluto na solução. Isso ocorre porque a criação de energia elétrica no efeito HV está ligada ao acúmulo de portadores de carga causado por uma camada dupla elétrica (EDL) que se forma na interface líquido‑sólido.

Apesar desses desafios, os dispositivos hidrovoltaicos têm enorme potencial devido à evaporação contínua em uma ampla gama de temperaturas e umidades. Isso torna os dispositivos HV adequados para muitas aplicações empolgantes, incluindo fornecimento de energia, geração de energia em todas as condições climáticas e coleta e dessalinização de água.

O estudo constatou que, para condições de água doce, a sobreposição da EDL é um requisito que pode ser realizado sob baixa carga de superfície total e alta confinamento, ou seja, tamanho pequeno de nanocanal. Ainda assim, aumentar a área de superfície ou a carga torna tamanhos de nanocanal maiores viáveis. 

Em condições de água do mar, um ponto ótimo pode ser criado em diâmetro de poro grande (valores Dp >100 nm) controlando a carga de superfície, o que sugere que o confinamento geométrico em escala nanométrica pode ser evitado, facilitando a escalabilidade desses dispositivos. 

Enquanto isso, em níveis altos de salinidade, a inversão de carga pode ser usada minimizando a interface sólido‑líquido e a carga de superfície inicial. Contudo, operar em concentrações tão altas e a longo prazo pode ser um desafio devido à adsorção de íons e cristalização de sal. Isso ocorre por seu efeito direto nas propriedades da superfície e da geometria da nanostrutura. Portanto, os pesquisadores escreveram que investigações adicionais são necessárias.

Os pesquisadores do estudo também esperam explorar o diverso potencial do dispositivo, com o apoio das organizações que lhes concederam bolsas, para entender e analisar essa tecnologia emergente. 

Uma das organizações de apoio, a Fundação Nacional Suíça de Ciências (SNSF), mandatada pelo governo federal, visa aproveitar energia da evaporação e desenvolver um “novo paradigma para recuperação de calor residual e geração de energia renovável em escalas grandes e pequenas.” Isso inclui um módulo protótipo em situações reais no maior lago da Europa Central, o Lago de Genebra, para coletar dados sobre geração hidrovoltaica em lagos alpinos.

A SNSF tem apoiado projetos relacionados à energia há muitos anos, contribuindo para o desenvolvimento de conhecimento e expertise para uso futuro. Esses projetos abrangem produção, armazenamento, distribuição e gestão de energia, bem como eficiência.

Tagliabue recebeu a Bolsa de Início da SNSF em 2022, sob a qual CHF 1,8 milhão são fornecidos ao longo de cinco anos. Esse financiamento ajuda a equipe a “expandir nosso esforço rumo à nanoengenharia de dispositivos hidrovoltaicos para geração de energia renovável,” disse Tagliabue.

Ela disse na época:

“Ao estabelecer o entendimento fundamental necessário, ferramentas de modelagem e estratégias de engenharia, este projeto fornecerá uma contribuição disruptiva para tornar a evaporação uma fonte de energia renovável difundida, segura e contínua tanto em escalas grandes quanto pequenas.” 

Os dispositivos HV oferecem uma grande oportunidade, e como podem operar onde houver líquido, que pode ser até suor, também têm potencial para uso em sensores. Isso abrange desde wearables de saúde e fitness até TVs inteligentes.

Tagliabue está ainda interessada em entender como efeitos leves e fototérmicos (relacionados à radiação eletromagnética) poderiam ser usados para controlar cargas de superfície e taxas de evaporação em sistemas HV.

Finalmente, os pesquisadores veem uma simbiose entre sistemas HV e geração de água limpa, com Anwar apontando como a evaporação natural é usada em processos de dessalinização. Condensar o vapor produzido por uma superfície evaporativa permite colher água doce a partir da água salgada.

“Agora, você poderia imaginar usar um sistema HV tanto para produzir água limpa quanto para captar eletricidade ao mesmo tempo.” 

– Anwar

Conclusão 

Com os problemas de energia e ambientais crescendo constantemente, há necessidade de soluções eficientes, flexíveis e ecológicas. Aqui, os dispositivos hidrovoltaicos podem ser de grande ajuda, pois geram energia elétrica usando a onipresente evaporação da água. 

Entretanto, essa inovação não vem sem desafios. Eles se manifestam como geração de energia que fica aquém dos requisitos de aplicação prática, incertezas sobre estabilidade e durabilidade em condições reais, e obstáculos para alcançar aplicações integradas em larga escala. Apesar desses obstáculos, a tecnologia e a pesquisa em materiais e dispositivos hidrovolcânicos ainda estão em sua infância, e há necessidade de tecnologias mais avançadas e mais pesquisas para seu amplo uso.

Simplificando, os dispositivos hidrovoltaicos têm grandes vantagens que não podem ser ignoradas. Em contraste com soluções complexas, caras e ambientalmente danosas, isso apresenta um método novo e promissor para geração de energia no futuro. E com o tempo, espera‑se que os dispositivos hidrovoltaicos cresçam até se tornar uma indústria viável e ampla.

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