Wearables Alimentados por Energia Solar Em Breve Serão Viáveis com Fotovoltaicos Orgânicos Ultrafinos Recentemente Desenvolvidos

As capacidades revolucionárias da energia solar já foram comprovadas sem dúvidas. Com seu sucesso crescente, aliado às inovações tecnológicas que a enriquecem a cada dia e à crescente demanda por energia renovável, o mercado global de energia solar inteligente poderia ultrapassar US$27 bilhões até 2028 partindo de menos de US$13 bilhões em 2022.

As projeções de crescimento indicam que o mercado dobrará, testemunhando inovações de ponta em materiais fotovoltaicos, armazenamento de energia, redes inteligentes, sistemas de energia solar e muito mais. Notavelmente, a energia solar também está deixando sua marca no campo dos wearables, com pesquisas e experimentos que em breve deverão introduzir wearables alimentados por energia solar. 

Fotovoltaicos Orgânicos Ultra-flexíveis como Fonte Potencial de Energia para Eletrônicos Vestíveis

Uma nova pesquisa publicada na Nature Communications, intitulada ‘Fotovoltaicos Orgânicos à Prova d’Água e Ultra-flexíveis com Melhor Aderência de Interface’, destaca a elasticidade e a leveza dos fotovoltaicos orgânicos ultra-flexíveis, tornando-os uma fonte de energia potente para wearables eletrônicos. Contudo, a pesquisa reconhece que tornar essas soluções à prova d’água continua sendo um desafio se sua flexibilidade mecânica e conformabilidade forem mantidas inalteradas. 

Mostrou como esse desafio pode ser superado, posicionando essencialmente os fotovoltaicos orgânicos como uma solução superior. A solução envolve aproveitar o crescimento in situ de uma camada de transporte de buracos para fortalecer a aderência de interface entre a camada ativa e o ânodo. Mais especificamente, a solução permite que um eletrodo de prata seja depositado sobre as camadas ativas. A deposição é seguida por um recozimento térmico. 

A pesquisa constatou que o método in situ supera amplamente o convencional, demonstrando que a camada de transporte de buracos cultivada in situ possui propriedades termodinâmicas de aderência superiores entre as camadas ativas, levando a melhorias nas propriedades de impermeabilidade. 

No experimento, fotovoltaicos orgânicos com espessura de três micrômetros fabricados por esse método mantiveram 89% e 96% de seu desempenho original mesmo após serem imersos em água por quatro horas e submetidos a 300 ciclos de estiramento/liberação a 30% de deformação subaquática, respectivamente. 

Embora esses números fossem prova de sua flexibilidade e características de impermeabilidade, os dispositivos passaram sem problemas por um teste de lavagem em máquina, apesar de sua fina camada de encapsulamento. 

No geral, o experimento demonstrou como as células solares podem se tornar à prova d’água e adequadas para operações em larga escala. 

As células solares agora podem ser integradas funcionalmente em roupas, permanecendo eficazes mesmo após exposição à chuva ou a um ciclo de lavagem. Essa inovação é, portanto, particularmente significativa, pois pode ser valiosa na criação de dispositivos eletrônicos vestíveis que podem ser anexados a roupas e permanecer operacionais em todo tipo de condição climática. 

Ao falar sobre o experimento e elaborar sobre sua potencial utilidade, Kenjiro Fukuda, um dos autores correspondentes do artigo, disse:

“O que criamos é um método que pode ser usado de forma mais geral. Olhando para o futuro, ao melhorar a estabilidade dos dispositivos em outras áreas, como exposição ao ar, luz intensa e estresse mecânico, planejamos desenvolver ainda mais nossas células solares orgânicas ultrafinas para que possam ser usadas em dispositivos vestíveis realmente práticos.”

Enquanto pesquisadores ao redor do mundo estão empenhados em tornar as células solares mais utilizáveis e realmente significativas, algumas empresas estão investindo fortemente em P&D para desenvolver soluções escaláveis que beneficiem uma população maior. 

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#1. Garmin

A Garmin desenvolveu uma linha completa de wearables inteligentes alimentados por energia solar que afirmam estender a vida útil da bateria a níveis sem precedentes. A linha inclui três smartwatches: Fenix 7 PRO, Instinct 2, e Forerunner 955 Solar. Ela concebeu os produtos, especialmente para uso ao ar livre. 

Esses smartwatches podem captar energia solar mesmo quando o mostrador do relógio está parcialmente coberto. Seu recurso de gerenciamento de energia permite ao usuário adaptar e personalizar o uso de energia conforme as necessidades.  

Para dar dados específicos, o relógio pode suportar expedições ao ar livre por até dois meses sem precisar de fonte de energia adicional. Além disso, a solução é ecológica, pois produz 59% menos emissões de carbono em comparação com outros relógios. 

O Fenix 7 Pro, por exemplo, utiliza painéis solares ultra-transparentes. Seu design elegante pode otimizar a absorção de luz solar. O Instinct 2 é um smartwatch GPS alimentado por energia solar. O Forerunner 955 foi projetado especificamente para corrida. 

A Garmin alcançou muitas maravilhas tecnológicas ao construir suas soluções. Por exemplo, seu sistema de vidro de energia alterou radicalmente a forma como a tecnologia de painéis solares é usada. Ele substituiu os painéis solares convencionais por uma lente de vidro super-transparente que integra células solares microscópicas condutoras. O painel de vidro é ultrafino, com menos de meio milímetro. 

Em demonstração de sua capacidade tecnológica, o painel não só captura efetivamente a fotoeletricidade, como também incorpora a tecnologia de exibição Memory-in-Piece para criar uma tela clara e legível. Alta clareza e baixo consumo de energia, mesmo sob luz solar direta, o tornam o melhor da categoria. 

Em 21 de fevereiro de 2024, a Garmin® Ltd. anunciou seus resultados do quarto trimestre encerrado em 30 de dezembro de 2023. A empresa registrou uma receita consolidada de US$5,23 bilhões, um aumento de 8% em relação ao ano anterior. 

Registrou uma margem bruta de 57,5%, comparada a 57,7% no ano anterior, e uma margem operacional de 20,9%, comparada a 21,1% no ano anterior. O lucro operacional foi de US$1,09 bilhão, um aumento de 6% em relação ao ano anterior.

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#2. Tommy Hilfiger

Para a Tommy Hilfiger, a marca de moda e vestuário reconhecida mundialmente, os wearables alimentados por energia solar não são novidade, tendo introduzido uma linha de jaquetas de campo com painéis solares quase uma década antes, em 2014. O trabalho foi realizado com a ajuda da Pvillion, um fabricante de painéis solares. A jaqueta vinha com painéis solares à prova d’água que funcionavam como forros internos. Esses painéis foram projetados para carregar dispositivos via cabos integrados e portas USB. 

Na época de seu lançamento, a jaqueta era vendida por US$600. A jaqueta projetada pela Tommy Hilfiger, em colaboração com a ‘Pvillion’, serviu de inspiração. Sete anos após o lançamento, em 2021, pesquisadores de design e física da Universidade Aalto, na Finlândia, criaram uma marca de vestuário que ocultava painéis solares. 

O projeto, conhecido como Sun-Powered Textiles, levou ao desenvolvimento de um produto autônomo em energia que poderia carregar dispositivos vestíveis – sensores que medem umidade ou temperatura – sem comprometer a aparência e o toque da peça.

Ao elaborar sobre a singularidade de sua inovação, a pesquisadora de design da Universidade Aalto, Elina Ilen, disse:

“Criamos um caso de demonstração, uma jaqueta, onde a energia luminosa é usada para alimentar sensores integrados de umidade e temperatura, pensando no usuário de vestuário de trabalho, que entra e sai e realiza tarefas físicas diariamente.” 

Essas inovações, tanto da Tommy Hilfiger quanto da Universidade Aalto, são exemplos de como nossas roupas poderiam ter painéis solares de forma disfarçada e fácil de usar. 

A PVH Corp. (PVH ), entidade que possui a marca Tommy Hilfiger, relatou sua receita do quarto trimestre de 2023 e do ano completo em 1º de abril de 2024. A receita do ano completo aumentou 2% para US$9,218 bilhões em comparação ao período do ano anterior, enquanto a receita do quarto trimestre de 2023 de US$2,490 bilhões permaneceu estável em relação ao período do ano anterior. 

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#3. Skagen (De propriedade do Fossils Group)

Em agosto de 2022, a conhecida marca de relógios e joias Skagen lançou sua coleção sustentável, Grenen Solar. Seu design incluía um movimento solar de 3 ponteiros japonês para cronometragem precisa. Também prometia uma reserva de energia de seis meses. Devido ao seu movimento alimentado por energia solar, a pessoa que o usa pode carregar o relógio em qualquer luz, natural ou artificial. 

Um dos diferenciais do Grenen Solar era seu compromisso de manter a sustentabilidade no centro de sua expertise inovadora. E a sustentabilidade não se limitava apenas ao uso de energia solar. O lançamento do produto, de fato, estava alinhado com a visão e o compromisso da empresa de que seus relógios sejam 100% sustentáveis em um futuro próximo. Para isso, 50% do aço usado no relógio era aço inoxidável reciclado. Além disso, a coleção completa oferecia cinco estilos em caixa de 37 mm com preço de varejo de US$195. 

Em janeiro de 2012, a Skagen foi vendida ao Fossil Group em uma transação de US$237 milhões. Em 13 de março de 2024, o Fossil Group publicou seu relatório anual para o Ano Fiscal de 2023. Em 2023, a empresa registrou vendas líquidas de mais de US$1,4 bilhão, queda em relação a 2022, quando registrou vendas líquidas de US$1,68 bilhão.

No geral, os produtos e soluções acima deixam claro que os wearables alimentados por energia solar não são novidade. Contudo, como demonstramos no início, a inovação em torno deles está robustamente em andamento. Ela demonstra a vitalidade e o valor das fontes de energia renováveis e seu potencial de sustentabilidade. Várias outras inovações interessantes estão em curso, e analisaremos algumas delas para ter uma ideia de como será o futuro.

Wearables Alimentados por Energia Solar: O Que o Futuro Reserva

Em 2017, pesquisadores apresentaram o design de uma pulseira inteligente vestível que utilizava painéis fotovoltaicos finos, de pequeno fator de forma e flexíveis como fonte de energia, marcando um avanço significativo nos subsistemas de captura de energia solar. O objetivo era maximizar a eficiência de conversão de energia e alcançar um sistema vestível sem fio auto-sustentável. 

Ao aproveitar filme de poliamida para integração total do sistema, a tecnologia mostrou-se benéfica no monitoramento de longo prazo de pacientes ou idosos em aplicações de saúde. Os resultados foram promissores, pois um único painel solar flexível poderia gerar até 16 megawatts de energia ao ar livre e 0,21 megawatts em ambientes internos. Impressionantemente, os dados coletados pelo dispositivo podiam ser transferidos via Bluetooth. 

A pesquisa contínua em saúde resultou no desenvolvimento de um biossensor vestível alimentado por energia solar, sem bateria, que poderia explorar o potencial subutilizado dos biomarcadores do suor. O resultado da pesquisa foi o LumiStat, um wearable solar multifuncional capaz de realizar indução autônoma de suor, amostragem microfluídica dinâmica de suor, monitoramento multiplexado de biomarcadores do suor e transmissão de dados sem fio, um avanço na tecnologia de monitoramento de saúde não invasivo. 

Ser alimentado por energia solar o tornou capaz de desempenho notável, permitindo operação contínua por mais de 12 horas sob diversas condições de luz. Os pesquisadores testaram o LumiStat rigorosamente, incluindo um monitoramento multimodal de um dia inteiro, cruzando atividades de biomarcadores do suor. A solução pôde operar consistentemente em ambientes de iluminação variados e atividades físicas, com consumo de energia adaptado inteligentemente à iluminação disponível, garantindo medições contínuas dos sensores.

Um relatório de pesquisa publicado pela Nottingham Trent University discutiu o desenvolvimento de tecidos incorporados com mais de mil células solares miniaturizadas. Essas células solares eram capazes de carregar smartwatches e telefones celulares. Em conjunto, podiam captar 400 milivatts (watts) de energia elétrica do sol. 

O tecido era adequado para vestuário cotidiano e poderia ser lavado em máquina a 40 °C com outras roupas. Medindo apenas cinco milímetros de comprimento e 1,5 milímetros de largura, as células solares estavam incorporadas em uma resina de polímero à prova d’água. Até o tecelão não podia senti‑las. 

De acordo com o Dr. Hughes‑Riley, do Grupo de Pesquisa em Têxteis Avançados (ATRG) da universidade:

“Este protótipo oferece um vislumbre empolgante do futuro potencial dos e‑textiles. Até agora, muito poucas pessoas consideraram que suas roupas ou produtos têxteis poderiam ser usados para gerar eletricidade. O material que desenvolvemos parece e se comporta como qualquer tecido comum, pois pode ser amassado e lavado em máquina.”

O material, medindo 51 cm por 27 cm, era ao mesmo tempo respirável e quimicamente estável. Apresentava células solares de silício. Essa configuração permitia ao material gerar uma potência de 335,3 watts sob 0,86 de intensidade solar, com capacidade de gerar até 394 watts quando a intensidade da luz solar atingia 1,0.

Evidentemente, a cada dia que passa, mais pesquisas são disponibilizadas ao público mostrando o potencial da tecnologia vestível alimentada por energia solar. É revolucionária, para dizer o mínimo, e altera paradigmas. Como as soluções devem permanecer anexadas aos nossos corpos o tempo todo, mudam a forma como interagimos com a tecnologia. Elas eliminam a necessidade de intermediários de energia, como pontos de carregamento. Elas aumentam nossa mobilidade e capacidade de explorar mais, preocupando‑nos menos com a forma de manter nossos sistemas em funcionamento.