Dentro de um laboratório no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Sangtae Kim foi mexer com um papel fino dispositivo do tamanho de um selo. Kim está interessado em colher energia de humanos (embora não do tipo que transforma as pessoas em baterias no filme, The Matrix). Ele quer aproveitar os movimentos, como caminhar e correr, para alimentar sensores e dispositivos vestíveis.
“ele fornece uma nova maneira de colher energia humana”, diz Kim sobre seu dispositivo protótipo, que ele descreveu recentemente em um artigo em co-autoria com seu conselheiro, Prof Ju Li e outros pesquisadores.
“qualquer movimento é possível colher, mas você não gostaria de roupas cheias de colheitadeiras. Eu teria como alvo as solas dos sapatos-é aí que a maior parte da energia está localizada”, diz Kim.
a ideia de usar o movimento para gerar eletricidade não é nova, embora esteja longe de ser comum. Existem bicicletas ergométricas estacionárias com motores para transformar exercícios suados na Academia em energia. Mas as colhedoras de energia portáteis que usam o movimento humano não chegaram ao mercado, em parte porque ainda precisam gerar energia suficiente, diz Harry Zervos, analista da Empresa de pesquisa de mercado IDTechEx.
o conceito de energia humana é promissor. Usar energia que de outra forma seria desperdiçada é atraente em um momento em que os planos para combater as mudanças climáticas incluem o uso de menos energia ou energia com emissões de carbono mais baixas.
Kim está visando um crescente mercado de eletrônicos de consumo. Estima-se que as remessas de eletrônicos vestíveis em todo o mundo aumentem de um dispositivo previsto de 111 milhões em 2016 para 214,6 milhões em 2019, de acordo com a IDC, uma empresa de pesquisa de mercado. A IDTechEx espera que as vendas anuais de wearables saltem de US $20 bilhões em 2015 para quase US $70 bilhões em 2025.
Busca por baterias menores e mais potentes
os Wearables coletam e comunicam dados sem fio, como telefones celulares, e prolongar a vida útil da bateria é um dos grandes desafios técnicos para os designers. E assim como os telefones celulares, eles estão a caminho de se tornarem mais finos e sofisticados. Designers de wearables – como Apple Watch, Google Glass e pulseiras fitness e health – estão à procura de tecnologia que possa manter esses gadgets funcionando por mais tempo entre o carregamento. Isso significa baterias que podem embalar mais energia em espaços menores ou dispositivos que, de outra forma, poderiam fornecer um aumento de energia sem a necessidade de se conectar à parede.
as baterias de íons de lítio, que também alimentam a maioria dos Eletrônicos de consumo, como laptops, são a fonte de energia ideal para wearables. Mas seu desempenho diminui quando eles precisam encolher para caber em espaços mais apertados, de acordo com Christine Ho, CEO da Imprint Energy, desenvolvedora de baterias na Califórnia.
“é um enigma para os designers de produtos, que estão começando a perceber que precisam pensar de forma mais criativa”, diz Ho. “As baterias novas têm a oportunidade de atender à demanda.”
os fabricantes de gadgets, como a Samsung, estão experimentando baterias mais finas e flexíveis para que possam se encaixar mais facilmente em wearables que envolvem o dedo, o pulso e o tornozelo. A Imprint Energy está desenvolvendo baterias de zinco ultrafinas e flexíveis, que podem armazenar mais energia em um determinado volume do que o lítio e são seguras e não tóxicas, diz Ho.
mas essas tecnologias emergentes de baterias tendem a ser caras e difíceis de produzir em massa. As vendas de baterias ultrafinas e flexíveis para dispositivos portáteis devem chegar a US $300 milhões até 2020, diz Tony Sun, analista da Empresa de pesquisa de mercado Lux Research. As vendas poderiam Saltar para US $4 bilhões até então, ele prevê, mas somente se essas baterias podem descer de preço para os níveis de baterias de íons de lítio. Isso exigiria investimentos significativos para avanços técnicos, acrescenta Sun.
colheita de energia
a ideia de aproveitar os movimentos humanos chegou a Kim uma noite em dezembro de 2013, quando recebeu um e-mail de Li, que acabara de participar de uma reunião de pesquisadores de ciência dos materiais, onde as conversas sobre baterias de íon de lítio incluíam uma discussão sobre o estresse na bateria. A aplicação de estresse em uma bateria de lítio altera a tensão e reduz a capacidade da bateria. Mas e se você pudesse transformar esse estresse em uma vantagem?
“foi um e-mail de duas frases que me acordou completamente”, lembra Kim. “Então comecei a projetar este dispositivo. Levei um ano para construí-lo e mais um ano para entender completamente o que estava fazendo. Queríamos ter certeza de que não era um efeito colateral.”
o que Kim criou é um dispositivo que tem uma estrutura semelhante à de uma bateria: dois eletrodos condutores separados por um eletrólito líquido. Ao contrário de uma bateria, a colheitadeira de energia usa o mesmo composto, uma mistura de lítio e silício, para ambos os eletrodos. Isso cria um efeito voleio quando o estresse físico é aplicado.
a pressão força um eletrodo a cuspir íons de lítio e, no processo, perturba um equilíbrio que faz com que o outro eletrodo se abra e aceite o lítio rejeitado. O eletrólito os força a se separar em íons de lítio e elétrons. Os elétrons viajam através de um circuito e são capturados como eletricidade. Os elétrons então se encontram com íons de lítio na outra extremidade e se movem para o eletrodo.
inflexível o dispositivo tira o estresse e faz com que os elétrons e íons de lítio viajem na outra direção. Essa reversão cria outro fluxo de corrente elétrica antes que os dois voltem para casa para o eletrodo original.
o protótipo de Kim ainda não gera eletricidade suficiente para wearables. Ele diz que precisa aumentar sua eficiência – a porcentagem de energia mecânica que é convertida em eletricidade – a partir de 0.6% a 6%, para torná-lo poderoso o suficiente para dispositivos como pulseiras.
aumentar a produção de energia e a vida útil de uma colheitadeira de energia será crucial para popularizar seu uso, diz Kevin Lloyd, co-fundador e chefe de tecnologia da Whistle Labs, com sede na Califórnia, que desenvolveu um colar de animal de estimação baseado em GPS para rastrear a localização, a saúde e outras atividades de seu amigo peludo.
“quando olhamos para a construção de dispositivos vestíveis, estamos equilibrando Ciência, Vida Útil Da Bateria e custo”, diz Lloyd. “Você não quer ter que tirar a coleira do seu animal de estimação para carregar todos os dias. Quando você está de férias por uma ou duas semanas, você quer que dure todo esse tempo.”
outro obstáculo para fazer a colheitadeira de energia funcionar: nossos movimentos corporais não são previsíveis ou consistentes, dificultando a geração de uma quantidade confiável de energia a qualquer momento, diz Ho.
Enfrentar o desafio de projetar a sua investigação em um wearable gadget vai ser importante, Kim reconhece, acrescentando que ele já ouvi de algumas empresas, incluindo fabricantes de relógios inteligentes e dispositivos médicos, que estão interessados em incorporar a energia do processo de colheita.
“mas precisamos tornar essa tecnologia mais madura primeiro, antes de pensar em comercializá-la”, diz ele.
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