Esquema do transístor e foto do protótipo durante os testes.
[Imagem: Wanghuai Xu - 10.1038/s41586-020-1985-6]

Gotas que viram rios de eletricidade

Enquanto pesquisadores japoneses comemoravam a geração de 5V de eletricidade com o movimento de uma única gota, Wanghuai Xu e seus colegas da Universidade Cidade de Hong Kong demonstraram que dá para fazer muito mais.

É claro que os dois experimentos não são diretamente comparáveis - nem em termos de materiais e nem na técnica de medição -, mas o protótipo apresentado agora gerou tensões de até 140 volts quando alimentado por um fluxo contínuo de água.

E não é pouca energia: Sua densidade instantânea atingiu até 50,1 watts por metro quadrado (W/m2), milhares de vezes maior do que a gerada por outros dispositivos similares, conhecidos como nanogeradores.

A diferença é que Xu e seus colegas usaram um transístor de efeito de campo (FET) que demonstrou uma eficiência inesperada na conversão de energia. Uma eficiência tão grande que a equipe já se arrisca em falar em "ajudar a avançar a pesquisa científica sobre a geração de energia a partir da água e enfrentar a crise energética".

Geradores baseados em gotas

Um gerador de energia baseado em gotas, como o apresentado há poucos dias, com seus 5 volts, normalmente funciona com base no efeito triboelétrico, gerando eletricidade induzida por eletrificação por contato e indução eletrostática quando uma gota atinge uma superfície.

No entanto, a quantidade de cargas geradas na superfície é limitada pelo efeito interfacial e, como resultado, a eficiência de conversão de energia é bastante baixa.

A equipe descobriu uma nova rota para a acumulação de cargas superficiais e seu armazenamento ao submeter o polímero PTFE (politetrafluoretileno), já usado em vários outros nanogeradores, a um fluxo contínuo de gotas - deixá-lo na chuva, em vez de ficar pingando uma gota de cada vez, por assim dizer.

Quando as gotas de água atingem continuamente a superfície do PTFE, as cargas superficiais geradas se acumulam e gradualmente atingem uma saturação, atingindo uma densidade de carga muito elevada.

Estes são os LEDs acessos pelo nanogerador.
[Imagem: Wanghuai Xu - 10.1038/s41586-020-1985-6]

Circuito fechado

Para explorar esse efeito, Wanghuai Xu chegou a uma arquitetura similar a um transístor.

O componente consiste em um eletrodo de alumínio e um eletrodo de óxido de índio e estanho (ITO) com uma película de PTFE depositada por cima. O eletrodo PTFE/ITO é responsável pela geração, armazenamento e indução de cargas. Quando uma gota d'água cai e se espalha na superfície desse eletrodo, ela o "liga" naturalmente ao outro eletrodo, de alumínio, convertendo o sistema original em um circuito elétrico fechado.

Dessa forma, uma alta densidade de cargas de superfície se acumulada no PTFE quando há uma colisão contínua de gotículas. Ao mesmo tempo, conforme a água espalhada conecta os dois eletrodos, todas as cargas armazenadas no PTFE podem ser totalmente liberadas para a geração de corrente elétrica. Como resultado, a densidade instantânea de energia e a eficiência de conversão de energia são muito maiores.

"Nossa pesquisa mostra que uma gota de 100 microlitros (1 microlitro = milionésimo de litro) de água liberada a uma altura de 15 cm pode gerar uma tensão acima de 140V. E a energia gerada pode acender 100 pequenas lâmpadas LED," contou o professor Zuankai Wang.

Energia cinética

Wang destaca que o aumento da densidade instantânea de potência não resulta de energia adicional, mas da conversão da energia cinética da própria água: "A energia cinética envolvida na queda da água é devida à gravidade e pode ser considerada livre e renovável. Ela pode ser melhor utilizada."

Em termos de usos práticos, o pesquisador acredita que, a longo prazo, esse novo mecanismo de nanogerador poderá ser aplicado e instalado em diferentes superfícies, onde líquidos entram em contato com sólidos, para utilizar totalmente a energia cinética de baixa frequência da água. Isso pode incluir da superfície do casco de embarcações e estruturas civis no litoral, até a superfície dos guarda-chuvas ou dentro de garrafas de água.