Reimaginando a Indústria do Carvão através de Pontos de Carbono

Em dezembro de 2023, 198 países signatários na Conferência das Partes (COP) concordaram coletivamente que o mundo deve “transitar” para longe de combustíveis fósseis como o carvão de forma “justa, ordenada e equitativa” a fim de reduzir as emissões de gases de efeito estufa para quase zero até 2050. No entanto, ainda não há cronogramas, portanto os combustíveis fósseis continuarão sendo o pilar das economias em todo o mundo nos próximos anos.

Carvão é a fonte de energia mais dominante e mais intensiva em carbono do mundo. Quatro tipos principais de carvão incluem:

(i) Antracito
(ii) Betuminoso
(iii) Subbetuminoso
(iv) Lignito

Este combustível fóssil representa mais de 37% do fornecimento global de eletricidade, desempenhando um papel fundamental ao abastecer residências e indústrias e aliviar a pobreza energética mundial. Ainda hoje, cerca de 860 milhões de pessoas ao redor do globo vivem sem acesso à eletricidade. Assim, a vida moderna é simplesmente inimaginável sem o carvão.

O consumo global de carvão realmente atingiu um recorde em 2023, com a demanda pelo combustível fóssil aumentando 1,4% no ano, ultrapassando 8,5 bilhões de toneladas métricas pela primeira vez, informou a Agência Internacional de Energia (IEA). Prevê‑se que seu consumo global permaneça bem acima de 8 bilhões de toneladas métricas em 2026.

O carvão é um recurso essencial para enfrentar o desafio do rápido aumento do consumo de energia, pois é significativamente mais barato e mais acessível que outros combustíveis fósseis. Ao contrário do petróleo e do gás, ele pode ser encontrado em abundância em todo o mundo.

A questão do carvão é que ele não requer dutos de alta pressão, processamento caro ou proteção dispendiosa durante o transporte, tornando‑o mais fácil de armazenar e transportar que outros combustíveis fósseis altamente inflamáveis. Além disso, antes de ser usado, o carvão só precisa ser minerado, ao contrário de outros combustíveis fósseis, que exigem um processo de refino longo e custoso. 

Sem mencionar, as reservas de carvão estão distribuídas de forma muito mais equitativa ao redor do planeta. Em janeiro de 2020, os EUA possuíam as maiores reservas de carvão do mundo, representando quase 90% de todas as reservas de combustíveis fósseis, com uma estimativa de 250 bilhões de toneladas.

Além de ser mais barato e acessível, o carvão também é muito versátil e pode ser usado em uma variedade de processos. O carvão é usado principalmente para geração de energia em todo o mundo e é, de fato, uma forma de energia acessível, com a eletricidade gerada a partir do carvão sendo menos cara que a gerada por outras fontes. 

Mesmo nos EUA, o carvão é usado para produzir eletricidade ao queimar o combustível fóssil em usinas. O calor resultante é usado para transformar água em vapor de alta pressão, que aciona uma turbina, que então produz eletricidade. Em 2019, cerca de 23% de toda a eletricidade nos EUA foi gerada por usinas a carvão, segundo a Administração de Informação de Energia dos EUA.

Este combustível fóssil também é usado na produção de aço e concreto e é um componente central na fabricação de ferro, bem como de outros metais como alumínio e cobre. O carvão e seus subprodutos são ainda utilizados em filtros de água e sistemas de purificação de ar, na construção de aviões e automóveis, em medicamentos e em processos químicos para extrair elementos de terras raras.

Existem também casos de uso de gaseificação e liquefação do carvão, com a maioria dos projetos de carvão para gás localizados nos EUA e na China, e alguns na Austrália, Canadá, Índia, África do Sul e Indonésia. Além de produzir blocos químicos básicos, como amônia, metanol e ureia, o carvão também é usado nas indústrias de papel, têxtil e vidro. Juntamente com a fabricação de fibra de carbono, ele fornece ingredientes como metais de silício, que são usados para produzir componentes para os setores de cuidados pessoais e domésticos.

Apesar da abundância, acessibilidade e confiabilidade do carvão, a indústria enfrenta desafios na forma de desenvolver tecnologias e caminhos para emissões zero, o que é identificado como um fator nas mudanças climáticas.

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Reavaliando o Papel Econômico do Carvão

À medida que os países ao redor do mundo se comprometem a transitar para outros meios de produção de energia devido à sua contribuição para as mudanças climáticas, pesquisadores e cientistas estão buscando outras formas de utilizar o carvão. 

Para reavaliar o papel econômico do combustível fóssil, a Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, o National Energy Technology Laboratory, a University of Illinois Urbana‑Champaign e o Oak Ridge National Laboratory se uniram em um esforço de pesquisa conjunto e demonstraram o papel crítico que o carvão pode desempenhar em dispositivos eletrônicos de próxima geração.

Nos últimos anos, muitas pesquisas têm sido realizadas no campo dos materiais 2D devido às suas propriedades elétricas, ópticas e mecânicas. A síntese de uma variedade de materiais 2D atômicamente finos abre uma nova plataforma de materiais camada por camada que permite a exploração de propriedades desconhecidas, prometendo uma série de novas tecnologias. 

Semicondutores em camadas 2D possuem características como alta mobilidade, comutação de baixo consumo, banda proibida relativamente grande e disponibilidade de métodos de crescimento em grande área, o que os torna candidatos promissores para a próxima geração de eletrônicos. Agora, o carvão está sendo experimentado para uso nesses eletrônicos. 

“O carvão geralmente é visto como algo volumoso e sujo, mas as técnicas de processamento que desenvolvemos podem transformá‑lo em materiais de alta pureza com apenas alguns átomos de espessura.” 

– disse Qing Cao, professor de ciência dos materiais e engenharia da U. of I. que co‑liderou o esforço. 

Ele também observou:

“Suas estruturas atômicas únicas e propriedades são ideais para criar alguns dos menores eletrônicos possíveis com desempenho superior ao estado da arte.”

Sob esta colaboração, os pesquisadores desenvolveram um processo que converteu carvão vegetal em discos de carbono extremamente pequenos, chamados “pontos de carbono”. 

Conforme demonstrado pelo grupo de pesquisa, esses discos de carbono em escala nanométrica podem ser conectados para criar membranas atômicamente finas. Essas membranas podem ser usadas em aplicações como transistores bidimensionais (2D) e memristores. Segundo os pesquisadores, essas tecnologias serão críticas na construção de eletrônicos mais eficientes. 

Embora materiais à base de carbono, seja o carbono industrial tradicional como negro de carbono ou o novo carbono industrial como grafite e fibras de carbono, desempenhem papéis significativos no desenvolvimento da ciência dos materiais, o material de carbono macroscópico não pode ser usado efetivamente como material fluorescente devido à falta da banda proibida adequada. É aqui que os pontos de carbono (CDs) surgem como uma solução promissora.

Pontos de carbono ou CDs são um novo tipo de nanomaterial à base de carbono que tem atraído muita atenção e interesse de pesquisa devido às suas diversas propriedades físico‑químicas. Os pontos de carbono são meticulosamente formulados e geralmente menores que 10 nm. Esse nanomaterial à base de carbono possui características como tamanho pequeno, ecologicamente amigável, baixo custo, baixa toxicidade, alta estabilidade, boa biocompatibilidade, mobilidade eletrônica, alto rendimento quântico, abundantes grupos funcionais e propriedades ópticas únicas, incluindo forte absorção, fotoluminescência e fosforescência.

Todas essas qualidades tornam este novo material da família do carbono tão popular e têm muitas aplicações. Isso inclui:

• Sensores
• Criptografia de informações
• Fotocatálise
• Diodos emissores de luz
• Detecção química
• Células solares
• Supercapacitores
• Baterias recarregáveis
• Bioimagem
• Fototerapia
• Entrega de genes
• Entrega de Drudge
• Detecção de explosivos
• Nanomedicina
• Segurança alimentar
• Antifalsificação

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O Carvão Desempenhará um Papel Vital em Eletrônicos de Próxima Geração 

Pesquisadores e cientistas ao redor do mundo têm trabalhado para criar eletrônicos menores, mais rápidos e mais avançados. Isso significa que dispositivos feitos com materiais que têm apenas um ou dois átomos de espessura operam muito mais rapidamente e consomem muito menos energia. 

Para esses dispositivos, muitos estudos foram realizados sobre semicondutores ultrafinos, mas agora é necessário um extenso estudo sobre isolantes atômicamente finos para construir dispositivos eletrônicos funcionais, como transistores e memristores.

Quanto aos materiais, eles são divididos em condutores, semicondutores e isolantes com base em sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Materiais como cobre, latão, aço, ouro e alumínio, que conduzem eletricidade facilmente devido à baixa resistividade elétrica, são chamados de condutores. 

Isolantes são materiais como vidro, ar, madeira, plástico e borracha, que não conduzem eletricidade facilmente. Enquanto isso, materiais como silício (Si), germânio (Ge) e selênio (Se), bem como compostos como arsenieto de gálio (GaAs) e antimoneto de índio (InSb), têm um valor de condutividade elétrica que fica entre o de um condutor e de um isolante.

A resistência de um semicondutor diminui à medida que a temperatura aumenta, enquanto a condutividade de um semicondutor aumenta com o aumento da temperatura.

Os isolantes têm uma ampla gama de aplicações, incluindo isolamento de paredes para regular o fluxo de calor, isolamento de fornos como barreiras térmicas e dielétricas, isolamento acústico para evitar ruídos e isolamento elétrico em circuitos domésticos e capacitores em produtos comerciais e de consumo. Os semicondutores também estão ao nosso redor, como pequenos transistores presentes em quase todos os dispositivos que usamos e células solares usadas em painéis solares para converter luz solar em eletricidade.

Nos isolantes, a lacuna de energia entre as bandas de valência e condução é muito grande (cerca de 15 eV), enquanto em um semicondutor, essa lacuna é muito pequena (cerca de 1 eV). 

De acordo com o estudo mais recente, camadas de carbono atômicamente finas com estruturas atômicas desordenadas podem funcionar como um excelente isolante para a construção de dispositivos 2D, que a equipe criou a partir de pontos de carbono derivados de carvão vegetal.

Agora, para demonstrar o potencial das camadas de carbono derivadas do carvão, os pesquisadores as usaram como dielétrico de porta em transistores 2D. Construído sobre o semicondutor dissulfeto de molibdênio, a equipe criou um dispositivo com velocidade de operação mais de duas vezes maior e menor consumo de energia. 

Essas camadas de carbono derivadas do carvão não possuem “ligações pendentes”, que são abundantes nas superfícies de isolantes 3D convencionais. Ao funcionarem efetivamente como “armadilhas”, elas alteram as propriedades elétricas dos isolantes 3D, retardando o transporte de cargas móveis, resultando na velocidade de comutação do transistor. 

No entanto, as novas camadas de carbono derivadas do carvão, ao contrário de outros materiais atômicamente finos, são amorfas, e correntes elétricas indesejadas fluem através do isolante, levando a um consumo adicional substancial de energia durante as operações do dispositivo. O Sr. Qing Cao disse:

“É realmente muito empolgante, porque esta é a primeira vez que o carvão, algo que normalmente vemos como de baixa tecnologia, está diretamente ligado à vanguarda da microeletrônica.”

Outra aplicação demonstrada pelos pesquisadores são os memristores, componentes eletrônicos que podem armazenar e operar sobre dados, melhorando significativamente a implementação da Inteligência Artificial (IA). Esses dispositivos armazenam e representam dados modulando um filamento condutor.

Ao usar camadas de carbono ultrafinas como isolante, os pesquisadores conseguiram a formação rápida desse filamento com baixo consumo de energia, permitindo que o dispositivo operasse em alta velocidade com baixo consumo. Além disso, anéis de tamanho atômico nessas camadas de carbono derivadas do carvão aprisionam o filamento para melhorar a operação reprodutível do dispositivo, aumentando a confiabilidade do armazenamento de dados.

Esses novos dispositivos demonstram que as camadas de carbono derivadas de carvão vegetal podem ser usadas em dispositivos 2D. No próximo passo, o esforço colaborativo avançará para desenvolver um “processo de fabricação de isolantes de carbono à base de carvão” que possa ser aplicado em larga escala.

Aproveitando a Nova Abordagem 

Enquanto o mundo está transicionando longe do carbono devido ao foco crescente na redução das emissões de gases de efeito estufa, a pesquisa contínua na indústria para reavaliar o carbono pode permitir que diferentes setores, como os fabricantes de semicondutores, aproveitem suas novas formas no futuro. Portanto, vamos analisar algumas das empresas que podem adotar essas abordagens. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Esta é a maior fabricante de chips do mundo, que utiliza as tecnologias de processo mais avançadas da indústria. A Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. é conhecida por atender às necessidades de muitos clientes de alto perfil, incluindo NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) e Apple. A gama de aplicações de produtos da empresa abrange a ampla indústria elétrica, e tem se expandido lentamente ao redor do mundo com fábricas distribuídas em três continentes.

Com uma capitalização de mercado de US$ 530,26 bilhões, as ações da TSM estão atualmente negociando a US$ 101,40, queda de 1,69% no ano (YTD). A empresa registrou uma receita dos últimos doze meses (TTM) de US$ 69,84 bilhões, com EPS (TTM) de 5,36, P/E (TTM) de 19,08 e ROE (TTM) de 29,43%. A Taiwan Semiconductor Manufacturing também paga um rendimento de dividendos de 1,88%.

#2. NVIDIA Corporation 

Esta empresa desenvolve hardware e software para jogos, laptops, data centers e aplicativos, sendo especificamente conhecida por criar unidades de processamento gráfico (GPUs) para uma variedade de aplicações, incluindo jogos, mineração de criptomoedas e IA. 

Mais recentemente, a Nvidia revelou seu novo processador gráfico de desktop, a série GeForce RTX 40 SUPER, para entusiastas de videogames, bem como para executar aplicações de IA localmente. A Nvidia também está expandindo sua presença no setor de veículos elétricos da China, ao anunciar que quatro marcas chinesas de VE usarão sua tecnologia para sistemas de condução automatizada.

Com uma capitalização de mercado de US$ 1,29 trilhão, as ações da NVDA estão atualmente negociando a US$ 522,58, alta de 5,5% no ano (YTD). A empresa registrou uma receita dos últimos doze meses (TTM) de US$ 44,87 bilhões, com EPS (TTM) de 7,57, P/E (TTM) de 68,99 e ROE (TTM) de 69,17%. A Nvidia também paga um rendimento de dividendos de 0,03%.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Este designer de CPUs e GPUs é uma das maiores empresas de chips que recentemente anunciou a série Ryzen 8000G, liderada pelo Ryzen 7 8700G, que a AMD afirma possuir o acelerador gráfico integrado mais rápido. Enquanto isso, a GPU mais recente da Advanced Micro Devices (AMD ), a série Radeon, atende ao segmento de mercado de jogos de nível baixo e médio.

Com uma capitalização de mercado de US$ 236,154 bilhões, as ações da AMD estão atualmente negociando a US$ 145,21, queda de 0,83% no ano (YTD). A empresa registrou uma receita dos últimos doze meses (TTM) de US$ 22,11 bilhões, com EPS (TTM) de 0,13, P/E (TTM) de 1.152,84 e ROE (TTM) de 0,38%.

Conclusão

Portanto, como podemos ver, a indústria do carvão está sendo transformada com cientistas e pesquisadores trabalhando para revelar seu valor e o papel que desempenha ao criar pontos de carbono que apresentam propriedades únicas capazes de torná‑los realmente úteis na próxima geração de dispositivos eletrônicos. Dessa forma, a indústria do carvão pode ajudar a moldar o futuro das tecnologias eletrônicas de maneira sustentável.