outubro 29, 2014

Grafeno, uma alternativa formidável, já!.

Abastecer um carro eléctrico em trinta segundos e um telemóvel em dois?


O  nosso mundo, melhor, a fórmula de relativa estabilidade ambiental que dá o suporte à simbiose que nos permitiu construir a civilização actual está gravemente ameaçada. Não  só a superpopulação devido à explosão demográfica versus a crescente escassez de recursos, mas principalmente a não sustentabilidade dos modelos energéticos, são a principal ameaça. Se por um lado é possível conduzir-se por iniciativas institucionais à limitação demográfica, por outro lado, tanto a produção de energia como a produção de alimentos ultrapassaram já há muito o limiar da sustentabilidade. Não é possível continuar a produzir num modelo que globalmente tira mais da equação ambiental daquilo que ela pode dar. O défice é esse que todos nós sentimos, como mero elemento que somos nesta teia de interacções complexas dum ecossistema que teimamos em ignorar.


Os horizontes não são agradáveis por mais que determinados governantes insistam em projectar cenários de amanhãs sempre melhores do que os que passaram e que todos vemos piorar de ano para ano. Um dos elementos que mais contribui para a desequilíbrio ambiental são os motores de automóvel.  Os recursos energéticos sob forma de combustíveis fósseis estão já praticamente esgotados. Mesmo em países onde ele jorrava debaixo dos pés por cada poço que se escavava num quintal. O Dubai, actualmente um centro financeiro que vive da inércia do movimento de capitais, turismo e investimentos em energia alternativa, já não tem uma pinga, e os outros Emiratos estão no limiar. Exploram-se agora os xistos betuminosos, ou seja, as côdeas que ninguém queria quando o bolo era farto.

ciclo dos motores térmicos
E se pensarmos que os motores dos carros, sendo térmicos, trabalham sob o ciclo de Carnot que apenas aproveita menos de 20% da energia, desperdiçando os restantes 80 em calor e atritos, então concluímos que poderíamos ter tido combustível para 500 anos caso o seu potencial energético fosse aproveitado a 100%, com todas as vantagens económicas e ecológicas decorrentes. Mas o mundo  dos Homens que temos é este e não outro, e o paradigma do crude a baixo preço e inesgotável sob o ponto de vista das gerações anteriores, entregou-nos como herança este modelo no limiar do colapso, com todos os perigos que a nível mundial a luta pelo acesso às fontes de energia fóssil,- a caminho do esgotamento,- representa.  A verdade é que pese embora todas os avanços em energias renováveis, no caso da mobilidade, ainda não tinha aparecido até há pouco nenhuma alternativa prática ao velho, ineficaz (energeticamente), e poluente automóvel movido a energia fóssil. 
. Alternativa eléctrica

Os motores eléctricos aproveitam a energia aplicada praticamente a 100%. 
Mas as baterias! 
As baterias foram desde sempre um quebra-cabeças. Pesadas se feitas de chumbo, caríssimas e complexas se feitas recorrendo às tecnologias de iões de lítio. Depois existe ainda o problema do carregamento. Lento demais para ser alternativa ao ainda prático posto de combustível e sujeito a um infernal condicionamento quanto aos ciclos de carga. 

Isto advém do processo electro-químico que está na base da construção das baterias que conduz a que para cada um ou dois electrões livres é preciso dispor de uma fórmula complexa de átomos que lhe dêem o suporte físico. Numa bateria descarregada, para que ela volte a ter carga, é necessário uma inversão química de todo o processo e isso tem de ser feito a uma velocidade relativamente baixa pois de contrário as baterias estão sujeitas à destruição.  A juntar a isto, uma deficiente recarga pode conduzir a uma acentuada redução na capacidade de acumulação de energia, o que vulgarmente se chama de viciação, o que leva a que só muito pouca da energia cinética seja possivel de ser recuperada e reconvertida em carga eléctrica devolvida às baterias durante as travagens de desacelerações.  Os electrões, extremamente abundantes no Universo, são assim  difíceis de guardar no caldinho químico de uma bateria.

Condensador eléctrico, duas placas isoladas
De imediato uma ideia luminosa nos ocorre: não será possível acumular apenas electrões, dispensando assim o volume e peso dos átomos que os suportam? A resposta é sim. E já há muito, desde sempre, que todos nós utilizamos dentro dos nossos equipamentos uns acessórios a que se chamam condensadores ou capacitores. Extremamente versáteis usam-se desde filtragens, isoladores de corrente contínua, elementos de entrega de sinal, memórias RAM  para computadores etc.  Não existe equipamento dos nossos dias que não use profusamente esses acessórios. Carregam e descarregam de forma rápida, sem viciações,  e praticamente sem envelhecimento.  O problema é que apenas aguentam energia por um lapso de tempo reduzido. Até agora não era possível acumular grandes quantidades de energia pelo que o uso de condensadores como armazéns de energia para efeitos de alimentação autónoma de motores ou outros equipamentos, como telemóveis, estava fora de questão.

Contudo, isso agora mudou. Uma descoberta fantástica, resultado do trabalho dos Prémio Nobel Andre Geim e Konstantin Novoselov abriu novas perspectivas há pouco tempo sequer imagináveis! O grafeno permite que se produzam o que

quanto mais superfície e mais próximas, mais capacidade
se chama de super-condensadores

Fundamentalmente, o que é um condensador?  Embora tão versátil, um condensador é apenas um dispositivos formado por duas placas. Quanto mais juntas estão, mais energia podem acumular.  Jamais se podem tocar e por isso isola-se o espaço entre as duas com uma placa isolante a que se chama dieléctrico. Quanto mais fina, mais capacidade de acumular electrões o dispositivo possui.  No limite, se tivessem encostadas uma à outra à distância de isolamento de um átomo, poderiam acumular uma super gigantesca quantidade de energia.  O grafeno permite reproduzir precisamente essa condição. Uma descoberta de ficção científica, o grafeno é extremamente leve, resistente e com qualidades extraordinárias a todos os níveis. Com super-condensadores de grafeno é possível produzir baterias para telemóveis que se carregam em dois ou três segundos, para carros que se carregam de seis a trinta segundos, etc.  E isto em qualquer patamar de descarga. Tanto faz que esteja quase carregada, a meia carga, ou completamente descarregada.  Não tem nem ciclos de carga nem viciações.

Estrutura microscópica de uma folha de Grafeno
Mas  o mais aliciante e fantástico é que depois da descoberta inicial, uma pequena alteração no processo de produção do grafeno levou a que se possa eficazmente produzir nas nossas casas!  Tão simples de construir e eficazes, mesmo com o recurso a processos quase artesanais, que melhor do que palavras, as imagens.  
Uma enorme vantagem do grafeno é ser -além de muito leve-, incomparavelmente mais barato e no fim do ciclo, totalmente reciclável e de impacto ambiental praticamente neutro.
As indústrias do automóvel tem vindo a dar passos largos ao investir na sua optimização e estão neste momento ao ponto de anunciar  a aplicação desta tecnologia aos seus produtos  auto movidos a electricidade, embora se deva dizer com toda a propriedade que as aplicações deste material só agora despertaram e sim. Um outro mundo é possível. Não sem problemas, mas certamente sem este:  os impactos ambientais no que ao pormenor da produção de energia motora dizem respeito. Outras aplicações extraordinárias podem ser desde já apontadas; roupas e edifícios inteligentes e auto-sustentados. O grafeno é ainda incrivelmente resistente e leve o que está a entusiasmar todos os sectores ligados à inovação mas também outros com larga experiência e tradicionais tais como a engenharia, construção civil e aeronáutica.
A Humanidade encontrou sempre um caminho em momentos em que tudo indicava o seu colapso. Esperemos que esta descoberta contamine no bom sentido todo um paradigma económico que pertence há muito ao passado. Para bem do Planeta e principalmente de todos nós.

18 comentários:

  1. Só espero que isto dê mesmo resultado.
    Tu já tinhas escrito sobre isto aqui, ou estou a sonhar?

    ResponderEliminar
  2. Tinha escrito sobre o assunto mas sem fazer referência à alternativa do grafeno, que é uma coisa muito recente. Talvez de repente apareça na tua indústria uma aplicação para esse produto, já que tem características inacreditáveis.
    A parte que repito é o ciclo térmico chamado de carnot, mas apenas para comparar os 20% versus os 99.9% de rendimento dos motores eléctricos.

    ResponderEliminar
  3. Ah! Bem me queria parecer que o tópico já não me era totalmente estranho. Bem hajas!

    ResponderEliminar
  4. Charlie, meu caro mestre, o futuro já é AGORA, para inúmeras situações!

    Ainda não temos a realidade dos muitos filmes de ficção científica. O Homem ainda não mora em Marte; pessoas ainda não ressuscitaram, após o processo de congelamento, mas o presente e o futuro do presente são bem mais surpreendentes àqueles que vislumbrávamos há 25 anos.

    E tens razão quanto ao grafeno: é um excelente condutor de calor e eletricidade. E, mais adiante concordo contigo, quando dizes que "a Humanidade encontrou sempre um caminho em momentos em que tudo indicava o seu colapso". Daqui a algum tempo – e não se assustem as novas gerações -, humanos colonizarão o espaço, para resolver o problema da falta de espaço na Terra. Exemplos das conquistas do Homem não se esgotam, e poderíamos aqui enumerar muitos deles, para entendermos quão ilimitada é a capacidade cognitiva do ser humano, mas fiquemos apenas com o da comunicação: quebrou fronteiras via antena parabólica, e hoje “converso” contigo, assim... quase que em simultâneo, com o advento da internet. Maravilha!

    Mas voltemos ao tema!

    Faz tempo, li algo a respeito da existência de moléculas capazes de liberar a corrente elétrica numa posição e barrá-la numa outra posição, as quais permitiriam o sistema binário, baseado em sinais "1" (corrente passa) e "0" (corrente não passa).

    Àquela oportunidade, algumas perguntas ficaram sem resposta, uma delas era como produzi-las em massa e conectá-las na forma de um processador? Isso já é possível?
    Por outro lado, e nesse patamar, cientistas apostaram em outra molécula, como tu mesmo enfatizas, o grafeno, que formaria o menor transistor molecular possível.

    De qualquer forma, se “um outro mundo é possível”, mesmo que tenhamos outros problemas, já há o descarte de um deles: produzir energia sem os malefícios ao meio ambiente, porque outras descobertas nem foram assim tão gloriosas, como o tálio, uma substância extremamente tóxica. Mas o grafeno parece diminuir esse efeito. Daí – ao que denomino - descoberta gloriosa.

    Esperamos – e desejamos – que a Humanidade tenha encontrado o caminho certo, e que a comunidade científica esteja mesmo a caminho de descobertas que possam trazer ao Planeta um nível satisfatório de segurança, diante de tantas ameaças à sobrevivência do Homem, inclusive.



    ResponderEliminar
  5. Grafeno ao poder

    Perdoe o desaforo

    ResponderEliminar
  6. Obrigado menina pela atribuição de mestria.
    Exagerada, mas mamãe, ainda assim, saborosa, e sei que um dia ainda serei mestre!
    De facto, o post esta feito de forma a passar o essencial da mensagem sem que incorra em imprecisões, mas entenderàs que ser simples é a coisa mais difícil do mundo e que para entendidos o artigo é pobre e incompleto, pouco genial. Mas gostei do teu comentário e irei fazer um post sobre o binário organico,devidamente simplificado para todos entenderem e não apenas os entendidos por mais básico que alguns me possam chamar depois.
    Bjokas

    ResponderEliminar
  7. Não fiques tristre e invejosa
    São Rosas, Ouviste, um?

    ResponderEliminar
  8. Respostas
    1. À trois! Não te baldes...

      Eliminar
    2. E num menu hátruá, um quarto elemento num quarto pra três fica a fazer pau...
      de cabeleira...

      Eliminar
    3. Num «ménage à trois», a ou as mulheres chamam-se «femmes de ménage».

      Eliminar
    4. .... o que é obviamente, falar com conhecimento de causa, não é menina?

      Eliminar