Eletricidade gerada à noite aproveitando frio do espaço

Redação do Site Inovação Tecnológica

Esquema da célula termovoltaica, que gera eletricidade a partir do frio do espaço.[Imagem: Masashi Ono]

Eletricidade extraída do frio do espaço

A diferença de temperatura entre a quentinha Terra e o frio espaço já está sendo explorada para fabricar aparelhos de ar-condicionado que mandam o calor para o espaço sem gastar energia.

Agora, Masashi Ono e seus colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, e da empresa Fujifilm, no Japão, descobriram como explorar esse diferencial de temperatura para gerar eletricidade - e usando o mesmo tipo de optoeletrônica que já usamos nas células solares tradicionais.

Isso significa que poderá ser possível, com desenvolvimentos adicionais, construir painéis que sejam "solares", ou fotovoltaicos durante o dia, enquanto o Sol está brilhando, e "termovoltaicos" durante a noite.

Em outras palavras, painéis que gerem eletricidade limpa e renovável continuamente, dia e noite.

Célula termovoltaica

Ono demonstrou que é possível gerar uma quantidade mensurável de eletricidade virando um diodo diretamente para o frio do espaço - um diodo é um componente eletrônico que permite que a corrente elétrica flua apenas num sentido.

"A vastidão do Universo é um recurso termodinâmico," explica Shanhui Fan, membro da equipe. "Em termos de física optoeletrônica, existe realmente essa simetria muito bonita entre colher a radiação que chega e coletar a radiação de saída."

Em contraste com o aproveitamento da energia que entra na Terra usando uma célula solar comum, o efeito negativo de iluminação permite que a energia elétrica seja coletada à medida que o calor deixa uma superfície. A tecnologia atual, no entanto, não captura energia dessas diferenças negativas de temperatura de forma tão eficiente.

Ao apontar sua célula termovoltaica para o espaço, cuja temperatura é de poucos graus acima do zero absoluto, o grupo conseguiu encontrar uma diferença de temperatura grande o suficiente para gerar energia - pouca ainda, é verdade, mas o suficiente para justificar pesquisas em busca de melhorias.

Eficiência e calor de motores

Cada dispositivo gera 64 nanowatts por metro quadrado, uma quantidade minúscula de eletricidade, mas uma importante prova de conceito. "A quantidade de energia que podemos gerar com esse experimento, no momento, está muito abaixo do limite teórico," confirma Ono.

Os cálculos mostram que, quando os efeitos atmosféricos são levados em consideração, o componente no estágio atual poderia gerar, teoricamente, quase 4 watts por metro quadrado, cerca de um milhão de vezes mais do que o protótipo foi capaz - para comparação, os painéis solares atuais geram de 100 a 200 watts por metro quadrado.

A equipe afirmou que o conceito também será útil para coletar calor de máquinas e motores, e que já está trabalhando para otimizar sua célula termovoltaica.

Bibliografia:

Experimental demonstration of energy harvesting from the sky using the negative illumination effect of a semiconductor photodiode
Masashi Ono, Parthiban Santhanam, Wei Li, Bo Zhao, Shanhui Fan
Applied Physics Letters
Vol.: 114, 161102
DOI: 10.1063/1.5089783

Se empresas brasileiras inovassem, crise poderia ser revertida

Com informações da Agência Fapesp

Interesse das empresas em inovar

A estagnação da produtividade da economia brasileira nos últimos anos se deve, entre outros fatores, à baixa atividade de inovação do setor industrial no país - assim como ao próprio encolhimento desse setor industrial, uma vez que o país passa por uma fase reconhecida de desindustrialização.

A fim de mudar esse quadro, é essencial que a iniciativa privada se interesse em incorporar as políticas e as práticas da inovação.

Esta é a avaliação dos participantes de um debate durante o 8º Congresso Brasileiro de Inovação da Indústria, evento promovido pela CNI (Confederação Nacional da Indústria) e pelo Sebrae (Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas), em São Paulo.

"O Estado tem o papel importante de alavancar o investimento e o esforço do setor privado em inovação. Mas o protagonismo nessa seara é, fundamentalmente, da iniciativa privada," disse Carlos Américo Pacheco, da FAPESP. "Sem uma iniciativa forte do setor privado em inovar, as políticas públicas voltadas a fomentar essa atividade serão inócuas." disse Pacheco.

Tecnologias novas e já existentes

Segundo Jorge Almeida Guimarães, diretor-presidente da Emprapii (Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial), há 307 mil empresas classificadas como indústrias no Brasil, das quais 83% são pequenas empresas.

Se um número pequeno dessas empresas inovasse já seria possível, em poucos anos, sair da crise econômica em que o Brasil se encontra, estimou. "Estimular a inovação nas pequenas indústrias brasileiras representa um enorme desafio e custa caro. Precisamos de políticas públicas que facilitem esse processo," disse.

Políticas públicas de apoio à inovação deveriam ter foco não só a inovação disruptiva, baseada em pesquisa e desenvolvimento (P&D), mas também na inovação incremental, recomendou Igor Nazareth, subsecretário de inovação do Ministério da Economia: "A inovação organizacional e de processos, por exemplo, traz ganhos de produtividade para as indústrias".

Outra medida necessária é estimular a difusão de tecnologias existentes, como de internet das coisas (IoT), megadados, robótica avançada e inteligência artificial, que permitiriam ao setor industrial brasileiro se capacitar para atender às exigências da indústria 4.0 ou da manufatura avançada no país, ponderou Pacheco: "Ao olhar para o parque industrial do país vemos que há uma grande necessidade de difundir tecnologias existentes de modo a atualizá-lo. Parte das políticas públicas de inovação deve ter esse foco."

Torneirinha de incentivos

Os participantes lembraram das várias políticas públicas voltadas à inovação criadas no Brasil nos últimos 20 anos. Mas eles pedem mais.

Nesse período foram criadas, por exemplo, a Lei de Inovação, que trouxe uma série de avanços para aumentar a interação entre universidades e empresas em pesquisas e que estabeleceu incentivos fiscais para a inovação no setor industrial.

"O Brasil conta com inúmeros modelos inovadores de gestão da inovação e com instituições de ciência e tecnologia. Essa experimentação institucional contínua é fundamental para estabelecer um sistema de inovação saudável e produtivo no país," disse Cauam Ferreira Pedroso, pesquisador do Centro de Desempenho Industrial do MIT, dos Estados Unidos.

Um dos desafios na implementação de políticas públicas voltadas a estimular a inovação, porém, é garantir a segurança jurídica para as empresas fazerem investimentos nessa atividade, disse Paulo Alvim, secretário de empreendedorismo e inovação do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC): "É fundamental o entendimento de que a inovação é um processo continuado. Não podemos ter processos espasmódicos, mas evolutivos, e que garantam o fluxo de recursos necessários para fortalecer a capacidade de inovação das empresas."

Outro desafio apontado por Pedroso é não tratar as políticas de inovação de forma isolada de outras, como as econômicas e sociais: "As políticas de inovação são transversais e influenciam as políticas econômicas e sociais. Nesse sentido, a agenda de políticas econômicas e sociais do Brasil está intimamente ligada à capacidade de implementação de uma agenda de inovação e crescimento estratégica."

Baterias se autoconsertam, guardam mais energia e duram mais

Redação do Site Inovação Tecnológica

As baterias que se autoconsertam terão vida muito mais longa do que as atuais. [Imagem: Atsuo Yamada]

Baterias de lítio e de sódio

Engenheiros da Universidade de Tóquio desenvolveram um material capaz de prolongar significativamente a vida útil das baterias, permitir que elas guardem mais energia e ainda torná-las capazes de se autoconsertar de um dos seus principais defeitos.

Existem dois aspectos particulares nas baterias que precisam melhorar para atender às nossas necessidades futuras - dos smartphones aos marcapassos e carros.

Esses aspectos são a longevidade da bateria - sua vida útil - e sua capacidade - quanto de carga ela pode armazenar.

Tanto as bem conhecidas baterias de íons de lítio como outro tipo menos famoso mas promissor, baseado em sódio em lugar do lítio, podem armazenar e disponibilizar uma grande quantidade de energia graças à maneira como seus materiais constituintes lidam com os elétrons.

Mas, tanto nas baterias de lítio quanto nas baterias de sódio, ciclos repetidos de carga e recarga acabam reduzindo significativamente a capacidade de armazenamento ao longo do tempo.

Bateria que se autoconserta

Se você pudesse ver dentro de uma bateria, veria camadas de material metálico. Conforme ela é carregada e descarregada, essas camadas degradam e desenvolvem rachaduras ou lascas - chamadas de falhas de empilhamento - que reduzem a capacidade da bateria de armazenar e fornecer carga. Essas falhas de empilhamento ocorrem porque o material é mantido unido por uma força fraca chamada força de Van der Waals, que é facilmente superada pelo estresse imposto aos materiais pelo carregamento e uso.

A equipe japonesa demonstrou que, se a bateria for feita com um material de fórmula Na₂RuO₃ (sódio, rutênio e oxigênio), então algo notável acontece: Não só a degradação dos ciclos de carga e descarga diminui, como as camadas passam a se autorreparar.

Esse fenômeno inusitado ocorre porque o material, que também tem uma estrutura em camadas, é sustentado por uma força chamada atração coulômbica, que é muito mais forte do que a força de Van der Waals.

"Isso significa que as baterias podem ter vida útil muito mais longa, e também podem ser forçadas além dos níveis que atualmente as danificam. Aumentar a densidade de energia das baterias é de suma importância para tornar o transporte eletrificado uma realidade," disse o professor Atsuo Yamada.

Bibliografia:

Coulombic self-ordering upon charging large-capacity layered battery electrodes
Benoit Mortemard de Boisse, Marine Reynaud, Jiangtao Ma, Jun Kikkawa, Shin-ichi Nishimura, Montse Casas-Cabanas, Claude Delmas, Masashi Okubo, Atsuo Yamada
Nature Communications
Vol.: 10, Article number: 2185
DOI: 10.1038/s41467-019-09409-1

Nano-organismos híbridos consumem CO2 e produzem combustíveis e plásticos

Redação do Site Inovação Tecnológica

O biorreator (esquerda) depois de produzir o primeiro grama de plástico biodegradável usando apenas a luz solar como fonte de energia. [Imagem: Nagpal Lab / University of Colorado Boulder]

Fábricas vivas

Pesquisadores desenvolveram organismos nano-bio-híbridos capazes de capturar o dióxido de carbono (CO2) e o nitrogênio do ar atmosférico para produzir uma variedade de plásticos e combustíveis.

Ainda é uma pesquisa em estágio inicial, mas é um primeiro passo promissor para o sequestro de carbono de baixo custo e a fabricação ecologicamente correta de produtos químicos, a chamada química verde.

Essas verdadeiras "fábricas vivas" usam pontos quânticos, semicondutores inorgânicos, para energizar enzimas dentro de bactérias.

Nos experimentos iniciais, as células bacterianas produziram plástico biodegradável, gasolina, amônia e biodiesel.

"A inovação é um testemunho do poder dos processos bioquímicos. Estamos buscando uma técnica que possa melhorar a captura de CO2 para combater a mudança climática e um dia até mesmo substituir a fabricação intensiva de carbono de plásticos e combustíveis," disse Prashant Nagpal, da Universidade do Colorado, nos EUA.

Vela de ignição para bactérias

Os pontos quânticos são do mesmo tipo daqueles semicondutores usados como píxeis de algumas TVs. Eles podem ser injetados passivamente nas bactérias e foram projetados para se fixarem nas enzimas desejadas e então ativarem essas enzimas usando comprimentos de onda específicos da luz.

O objetivo é que os pontos quânticos funcionem como uma vela de ignição para disparar as enzimas dentro das células microbianas, que têm os meios para converter CO2 e nitrogênio em outros produtos, mas não o fazem naturalmente devido à falta de fotossíntese.

Deu certo. A exposição até mesmo a pequenas quantidades de luz solar indireta ativa o apetite por CO2 dos micróbios, sem a necessidade de qualquer fonte de energia ou alimento para realizar as conversões bioquímicas.

"Cada célula produz milhões desses produtos químicos e mostramos que eles podem exceder seu rendimento natural em cerca de 200%," disse Nagpal.

Biofábrica

As bactérias, que ficam em solução, liberam o produto resultante, que então boia, podendo ser coletado da superfície.

Diferentes combinações de pontos quânticos e luz produzem diferentes produtos: Comprimentos de onda verde fazem com que as bactérias consumam nitrogênio e produzam amônia, enquanto comprimentos de onda mais vermelhos fazem os micróbios se banquetearem com CO2 para produzir plástico.

O foco agora é confirmar que tudo funciona em larga escala e tentar otimizar o rendimento dos organismos bio-híbridos.

Bibliografia:

Nanorg microbial factories: Light-driven renewable biochemical synthesis using quantum dot-bacteria nano-biohybrids
Yuchen Ding, John R. Bertram, Carrie Eckert, Rajesh Reddy Bommareddy, Rajan Patel, Alex Conradie, Samantha Bryan, Prashant Nagpal
Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.9b02549

NASA lançará drone para procurar sinais de vida na lua Titã

Redação do Site Inovação Tecnológica

Veja o vídeo em:   https://youtu.be/IdYeWN9ZivE

Explorar lua Titã

A NASA anunciou uma muito esperada missão para explorar Titã, a lua de Saturno que é a única do Sistema Solar que possui uma atmosfera significativa.

Sua superfície é formada por hidrocarbonetos gelados, com imensos mares de metano - condições chamadas de pré-bióticas, pois são semelhantes às da Terra em tempos primordiais.

Supõe-se que, centenas de quilômetros abaixo da capa gelada de hidrocarboneto, haja oceanos líquidos. Se esses ambientes (hidrocarbonetos e água) interagirem na presença de energia geotérmica, haveria condições teóricas de geração de formas rudimentares de vida (microrganismos) - a temperatura média na superfície fica por volta dos -180º C.

Já pousamos em Titã antes, com o módulo Huygens, da missão Cassini-Huygens, que estudou o sistema de Saturno durante 13 anos.

Mas foi uma missão curta, com poucas fotos e medições. Por isso, a próxima missão usará uma sonda robótica bem mais versátil e capaz de visitar múltiplos locais.

Drone extraterrestre

A missão Dragonfly (libélula, em português) anunciada agora será realizada por um drone de oito rotores alimentado por energia atômica.

O drone venceu a proposta de enviar um submarino a Titã porque é mais seguro estabelecer contato com ele e o conhecimento sobre as partes eventualmente líquidas da lua ainda é muito limitado.

Um robô voador parece promissor porque a atmosfera de Titã é densa, mais do que a da Terra, e a gravidade é muito baixa, menor do que a da Lua. O programa inicial prevê uma missão de 2 anos e 8 meses, período no qual o robô poderia percorrer 175 quilômetros em uma série de "saltos", com voos de até 8 quilômetros de distância.

Essa é a grande vantagem de um robô voador, em comparação com um robô com rodas - 175 km é mais do que o dobro da distância percorrida por todos os robôs marcianos somados. A ideia é dar um salto a cada dia de Titã, que corresponde a 16 dias da Terra.

A exploração começará na região equatorial conhecida como Shangri-La, uma série de dunas que lembram as dunas dos desertos da Namíbia, na África, onde será fácil e seguro visitar vários locais para coleta e análise de amostras.

Outros locais poderão ser selecionados quando a missão estiver operando, mas o plano é alcançar a cratera de impacto Selk, onde há indícios de ter havido água líquida no passado e produtos orgânicos, as moléculas complexas que contêm carbono, combinadas com hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Se houver energia disponível, essa é a receita ideal para a formação da vida como a conhecemos.

Visualização artística do drone Libélula voando sobre as dunas de Titã. [Imagem: JHU-APL]

Drone com energia atômica

Se não houver atrasos, o drone Dragonfly será lançado em 2026 e chegará a Titã em 2034 - Saturno está a 1,4 bilhão de quilômetros do Sol, o que é 10 vezes mais do que a distância do Sol à Terra.

Essa distância também implica que não dá para usar painéis solares. Em vez disso, o drone usará um gerador termoelétrico de radioisótopos, do mesmo tipo usado pelo robô marciano Curiosity. Os voos, a transmissão de dados e a maioria das operações científicas serão planejadas durante as horas do dia em Titã (oito dias terrestres), dando ao helicóptero muito tempo durante a noite de Titã para recarregar suas baterias.

Combustível de aviação é feito com ar e energia solar

Redação do Site Inovação Tecnológica 

O protótipo de usina solar está funcionando do telhado de um prédio da universidade. [Imagem: ETH Zurich / Alessandro Della Bella]

Ar + Sol = querosene de aviação

Pesquisadores do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça, desenvolveram uma nova tecnologia que produz combustíveis líquidos de hidrocarbonetos exclusivamente a partir da luz solar e do ar.

Pela primeira vez, eles demonstraram toda a cadeia de processos termoquímicos sob condições reais de campo.

A usina solar produz combustíveis líquidos sintéticos que liberam tanto CO2 durante sua combustão quanto o previamente extraído do ar para sua produção.

A cadeia combina três processos de conversão termoquímica: Primeiro, a extração de CO2 e água do ar; em segundo lugar, a separação termoquímica de CO2 e água; em terceiro lugar, a liquefação subsequente dos dois compostos em hidrocarbonetos.

A radiação solar é concentrada em um espelho parabólico por um fator de 3.000, gerando uma temperatura de 1.500 graus Celsius dentro do reator solar. No coração do reator solar está uma estrutura de cerâmica feita de óxido de cério, que permite uma reação de duas etapas - o chamado ciclo redox - para dividir a água e o CO2 em gás de síntese. Essa mistura de hidrogênio e monóxido de carbono pode então ser processada para produzir combustíveis de hidrocarbonetos líquidos através do metanol ou pela síntese de Fischer-Tropsch.

"Esta planta prova que os combustíveis de hidrocarbonetos neutros em carbono podem ser feitos a partir da luz solar e do ar em condições reais de campo. O processo termoquímico utiliza todo o espectro solar e ocorre em altas temperaturas, permitindo reações rápidas e alta eficiência," disse o professor Aldo Steinfeld, coordenador da equipe.

Refinaria solar

A minirrefinaria solar, ainda em escala de protótipo e sob as condições climáticas predominantes em Zurique, produz cerca de um decilitro de combustível por dia.

A equipe já está trabalhando em um teste em grande escala de seu reator em uma torre solar perto de Madri, na Espanha. O próximo objetivo do projeto é dimensionar a tecnologia para implementação industrial e torná-la economicamente competitiva.

"Uma usina solar que ocupe uma área de um quilômetro quadrado poderia produzir 20 mil litros de querosene por dia," disse o pesquisador Philipp Furler. "Teoricamente, uma usina do tamanho da Suíça - ou um terço do Deserto de Mojave, na Califórnia - poderia cobrir as necessidades de querosene de toda a indústria da aviação. Nossa meta para o futuro é produzir combustíveis sustentáveis com a nossa tecnologia e mitigar as emissões globais de CO2."

Todos os carros elétricos poderão usar uma mesma motorização

Redação do Site Inovação Tecnológica 

O grande desafio é construir uma plataforma única que sirva a diferentes classes de automóveis híbridos e elétricos. [Imagem: Drivemode/Divulgação]

Propulsor genérico

Em busca do aumento da eficiência e da diminuição dos custos, a indústria automobilística tem mostrado interesse em evitar os erros e problemas do seu primeiro século, baseado nos motores a combustão interna.

Aproveitando a migração para os motores elétricos, os esforços têm-se concentrado no sentido de criar plataformas de motorização básicas, a partir das quais os diferentes modelos de carros poderão ser construídos por cada empresa.

Este é justamente o propósito do projeto Drivemode, financiado pela União Europeia.

A equipe multi-institucional está desenvolvendo um módulo de transmissão distribuído e integrado (IDM), escalonável para todos os tipos de carros elétricos e híbridos produzidos em massa, desde veículos de passeio leves até veículos utilitários e de alto desempenho.

Em sua última reunião, realizada no mês passado em Bruxelas, na Bélgica, a equipe demonstrou ter alcançado um ponto crítico em sua pesquisa e desenvolvimento: eles descobriram meios de integrar uma caixa de câmbio de alta velocidade (atingindo 97% de eficiência em torno dos pontos nominais), um motor de alta velocidade (75kW, 100Nm e mais de 20.000rpm) e um inversor SiC (comutação de 20kHz, corrente de 140A rms) em módulos de transmissão eficientes e econômicos.

O próximo passo é começar a construir e testar os módulos de propulsão. [Imagem: Drivemode/Divulgação]

Módulo integrado de propulsão

As principais vantagens do módulo integrado vêm da redução do uso de materiais, instalação simplificada e sinergia ideal entre os componentes. Além disso, o conceito de motorização distribuída abre as portas para um design único para atender a uma variedade de veículos.

O próximo passo será partir para a fabricação desses carros modulares.

Entre os objetivos traçados para essa próxima etapa estão alcançar um aumento de 30% no torque e potência específicos, 50% de aumento na velocidade do motor elétrico, aumentar a tensão (800V) para reduzir ainda mais os materiais utilizados e 50% de redução nas perdas de materiais, além de um recarregamento mais rápido das baterias.

Crie uma rede local sem precisar nem mesmo de rede elétrica

Redação do Site Inovação Tecnológica

O pequeno aparelho cria uma rede totalmente sem fios - com ou sem internet. [Imagem: UNIGE]

Rede sob demanda

Pode ser para atuar em zonas de desastre ambiental ou de epidemias, disseminar tecnologias ou viabilizar projetos educacionais em áreas remotas ou fazer pesquisas de campo - são inúmeros os exemplos em que torna-se necessário estabelecer uma rede de comunicações sem contar com uma infraestrutura.

Foi pensando em casos assim que uma equipe da Universidade de Genebra, na Suíça, criou o Beekee Box.

O aparelho é capaz de estabelecer uma rede de acesso local sem fios sem depender nem mesmo de uma rede de energia elétrica - tudo funciona com baterias.

Grupos de primeiros socorros, professores, médicos, técnicos e, claro, a população em geral, podem conectar-se à rede sem fios usando seus celulares ou computadores.

"É como se os usuários estivessem navegando em uma plataforma educacional na web, mas sem a necessidade da internet ou da rede elétrica. Qualquer pessoa que esteja conectada pode seguir programas de treinamento completos, realizar avaliações, acessar documentos ou interagir com seus pares em tempo real," disse o professor Vincent Widmer, responsável pelo desenvolvimento da Beekee Box.

Rede para treinamento

A Beekee Box é feita de plástico, medindo 10 cm de altura e 6,5 cm de largura. Em seu interior há um microcomputador completo, além da bateria e um disco SSD com capacidade de armazenar até 256 GB de dados.

A autonomia da rede é de cerca de 3 horas, mas um módulo de bateria externa, que é recarregado usando energia solar, permite operações por até 10 horas contínuas.

A caixa em si também é simples de usar: os professores exportam do seu computador todo o material educacional que precisam diretamente para o aparelho, e então levam a caixa consigo para qualquer lugar do mundo. Os usuários só precisam conectar seus dispositivos móveis à rede local gerada pela Beekee Box para acessar e transmitir conteúdos.

"Os professores podem restringir suas interações com os alunos apenas para a rede da caixa, sem que os dados sejam compartilhados pela internet. Tudo permanece confidencial e compartimentado na Beekee Box, o que é um grande trunfo em termos de proteção de dados pessoais," disse a pesquisadora Stephane Morand.

A equipe está agora aprimorando os programas, que serão disponibilizados em sistema de código aberto. E os testes de campo já começaram.

"Estamos atualmente trabalhando com a organização Médicos Sem Fronteiras para ajudar os médicos a ministrar treinamento em gestão de crises e enviar guias médicos recentes. Nosso objetivo é tornar disponíveis recursos educacionais, tecnológicos e de pesquisa para analisar o contexto e fornecer soluções sob medida," disse Widmer.

Carregamento sem fios pode reduzir vida útil da bateria do celular

Redação do Site Inovação Tecnológica

Os três modos testados: (a) carregamento plugado à rede; (b) carregamento indutivo alinhado e (c) carregamento indutivo desalinhado. [Imagem: Loveridge et al. - 10.1021/acsenergylett.9b00663]

Carregamento indutivo

O modo como você recarrega o seu celular - pelo carregador comum, ligado à tomada, ou pelo carregamento indutivo, sem fios - pode mudar a expectativa de vida de sua bateria.

Esta é a conclusão de Melanie Loveridge e colegas da Universidade de Warwick, no Reino Unido, que compararam três modos de carregamento do celular, dois deles envolvendo o carregamento sem fios.

O carregamento indutivo permite que uma fonte de energia transmita eletricidade através de um espaço de ar, sem o uso de fios de conexão.

A inclusão de bobinas de carregamento indutivo em vários modelos mais recentes de telefones celulares levou ao aumento rápido da adoção da tecnologia. Em 2017, fabricantes de automóveis anunciaram a inclusão de consoles dentro de 15 modelos para carregar indutivamente dispositivos eletrônicos de consumo, incluindo os celulares - e em uma escala muito maior, várias empresas estão considerando a possibilidade de carregar baterias de veículos elétricos dessa mesma maneira.

O problema é que esse modo de carregamento gera uma grande quantidade de calor indesejado, o que prejudica a bateria, diminuindo sua vida útil.

São várias as fontes de geração de calor associadas a qualquer sistema de carregamento indutivo - tanto no carregador quanto no aparelho que está sendo carregado. Esse aquecimento adicional é agravado pelo fato de que o aparelho e a base de carga ficam em contato físico, o que significa que qualquer calor gerado em um deles é transferido para o outro por simples condução e convecção térmica.

Nos celulares, a bobina que recebe a energia fica junto à tampa traseira do telefone, ao lado da bateria e de tudo o mais, o que limita a possibilidade de dissipação do calor gerado dentro do telefone ou o proteja do calor vindo do exterior.

A vida útil de uma bateria é estreitamente relacionada à temperatura em que ela opera. Quanto mais alta a temperatura, menor é o número de ciclos em que ela pode ser carregada e utilizada.
[Imagem: Loveridge et al. - 10.1021/acsenergylett.9b00663]

Baterias e temperatura

As baterias de íons de lítio são dispositivos químicos, e a regra prática - ou, mais tecnicamente, a equação de Arrhenuis - estabelece que, para a maioria das reações químicas, a taxa de reação dobra a cada 10° C de aumento de temperatura.

Em uma bateria, as reações indesejadas que podem ocorrer incluem a taxa de crescimento acelerado de filmes passivantes (um revestimento inerte fino tornando a superfície subjacente não reativa) nos eletrodos da célula. Isso ocorre por meio de reações redox, que aumentam irreversivelmente a resistência interna da célula, resultando em degradação no desempenho e, em última instância, em falha.

Um problema adicional encontrado pelos pesquisadores ocorre quando a bobina do aparelho que está sendo carregado não está perfeitamente alinhada com a bobina do carregador - os resultados são ainda piores, com maior geração de calor.

Embora os fabricantes alertem contra falhas catastróficas - explosões, por exemplo - em temperaturas operacionais acima dos 50 ou 60º C, uma bateria de íons de lítio com uma temperatura superior a 30 ºC é tipicamente considerada em temperatura elevada, expondo a bateria ao risco de uma vida útil mais curta, dizem os pesquisadores.

Assim, embora equipe não tenha estabelecido quanto de vida útil a bateria do seu celular irá perder em cada caso - o que exigiria observações de longo prazo e uma grande quantidade de aparelhos, para se estabelecer uma média -, o recado é bem claro: o celular aquece com o carregamento indutivo, e bateria e temperaturas elevadas não se dão.

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O alinhamento entre as bobinas do aparelho e do carregador é essencial para uma maior eficiência do carregamento sem fios. [Imagem: Loveridge et al. - 10.1021/acsenergylett.9b00663]

Carregamento e redução da vida útil da bateria

No caso do telefone carregado com o carregador plugado na rede elétrica convencional, a temperatura média máxima atingida dentro de 3 horas de carregamento não excedeu 27° C, partindo de uma temperatura ambiente de 25° C.

Em contraste, com o telefone sendo carregado por carregamento indutivo alinhado, a temperatura atingiu um pico a 30,5° C, que se reduziu gradualmente durante a segunda metade do período de carregamento.

No caso de carregamento indutivo desalinhado, o pico de temperatura foi de magnitude similar (30,5º C), mas esta temperatura foi alcançada mais cedo e persistiu por muito mais tempo neste nível (125 minutos, versus 55 minutos para o carregamento corretamente alinhado).

A temperatura média máxima da base de carregamento durante o carregamento sob desalinhamento atingiu 35,3° C, dois graus acima da temperatura detectada quando o telefone estava alinhado, que atingiu 33° C. Isso sinaliza a deterioração na eficiência do sistema, com geração adicional de calor atribuível a perdas de energia e correntes parasitas.

Também digno de nota foi o fato de que a potência máxima de entrada na base de carregamento foi maior no teste em que o telefone estava desalinhado (11W) do que com o telefone bem alinhado (9,5 W).

A conclusão da equipe é que o carregamento indutivo, embora conveniente, provavelmente levará a uma redução na vida útil da bateria do celular. Para muitos usuários, essa degradação pode ser um preço aceitável para a conveniência, mas para aqueles que desejam aproveitar a vida útil mais longa do telefone, o carregamento via cabo ainda é recomendado.

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Bibliografia:

Temperature Considerations for Charging Li-Ion Batteries: Inductive versus Mains Charging Modes for Portable Electronic Devices
Melanie J. Loveridge, Chaou C. Tan, Faduma M. Maddar, Guillaume Remy, Mike Abbott, Shaun Dixon, Richard McMahon, Ollie Curnick, Mark Ellis, Mike Lain, Anup Barai, Mark Amor-Segan, Rohit Bhagat, Dave Greenwood
ACS Energy Letters
Vol.: 4, 5, 1086-1091
DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00663