Desenvolvimento de dispositivos piezoelétricos coletores de energia.

Alex Gonzaga dos Santos Júnior*

Nos últimos anos, a busca por fontes de energia limpa e renovável, tornou-se uma prioridade global, principalmente no que diz respeito à mudança climática e a necessidade de reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Neste contexto, a geração de energia limpa por meio de materiais piezoelétricos tem se apresentado como uma área de pesquisa promissora. Materiais piezoelétricos possuem a capacidade de converter energia mecânica em energia elétrica, bem como o efeito contrário, devido a uma mudança em sua estrutura cristalina, quando submetidos a tensão mecânica ou a aplicação de campo elétrico. Tal fenômeno tem sido explorado no intuito de desenvolver dispositivos que possam gerar eletricidade a partir de vibrações, movimentos ou pressão.

Vantagens como, aproveitamento de fontes de energia renovável (movimento ambientais e vibrações) e zero emissão de poluentes, tornam os materiais piezoelétricos bons personagens na geração de energia limpa, contribuindo para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e mitigar os impactos ambientais das atividades humanas. Por outro lado, a melhoria de sua eficiência e durabilidade dos materiais, são desafios a serem solucionados.

O conceito de Energy Harvesting (Colheita de Energia), tem como base o armazenamento de energia provida de um movimento derivado de fontes externas e que seja reutilizado para um determinado fim. Algumas dessas fontes são abordados de forma geral na Figura 1.

Nesse sentido, em virtude dos resultados de seu inconsequente comportamento, os humanos passaram a perceber a sua situação de vulnerabilidade, perante ao meio ambiente, quando este é compreendido como um mero objeto e não como uma das condições básicas para a vida na Terra.

Dentre as principais inovações alinhadas com o ideal contemporâneo de preservar os recursos naturais, tem-se a ascensão da manufatura aditiva como um método eficiente, econômico, personalizado e sustentável para a produção de diversos mecanismos altamente tecnológicos.

Nessa perspectiva, vamos abordar a importância da manufatura aditiva, no contexto da emergente Indústria 4.0, para a construção de um futuro com o melhor aproveitamento possível dos recursos naturais e de novas tecnologias, sem prejudicar a fonte de toda e qualquer evolução humana: o meio ambiente.

Figura 1: Fontes de energia e suas derivadas: reações bioquímicas, energia térmica, energia solar, energia biomecânica.

A coleta de energia possui duas vertentes de estudo, a de grande escala, como as usinas hidroelétricas, usinas eólicas, placas fotovoltaicas e a energia geotermal entre outras. Outras fontes de energia, consideradas de aproveitamento de energia em pequenas escalas, é um método que difere um pouco das fontes tradicionais, por ser menos intuitivo. Dentre elas, podemos citar as energias vinda do aquecimento dos materiais, bem como, energia mecânica eletromagnética. A energia mecânica possui diferentes vertentes de estudo, que vão desde a triboelétrica, caracterizada pela capacidade de alguns materiais em adquirir cargas elétricas, quando sofrem eletrização por atrito; a eletromagnética, por intermédio das relações existentes entre as forças elétricas e magnéticas do átomo, além da piezoelétrica, provida da vibração dos materiais.

Diante deste contexto, este trabalho segue a linha da geração mecânica, por meio de materiais piezoelétricos.

O fenômeno da piezoeletricidade é basicamente compreendido ao se analisar a estrutura cristalina dos materiais piezoelétricos. No equilíbrio, os átomos dentro do cristal estão dispostos de maneira simétrica, de forma que, quando o cristal é submetido a uma força mecânica, como pressão ou tração, essa simetria é perturbada, causando um deslocamento dos átomos em relação ao seu posicionamento original (Fig. 2). Esse deslocamento gera uma assimetria na distribuição de cargas elétricas dentro do cristal, resultando em um campo elétrico macroscópico.

(a)
(b)

Figura 2: Célula de um átomo de quartzo deformada devido a uma tensão mecânica (a), e a representação do efeito piezoelétrico direto (b).

Por outro lado, quando um campo elétrico é aplicado ao cristal, ocorre o deslocamento dos átomos de forma a tentar restaurar a simetria original, causando assim, uma deformação mecânica do material.

Um dos potenciais dos materiais piezoelétricos para se tornar uma fonte de energia renovável vem de sua peculiaridade de gerar eletricidade a partir de vibrações mecânicas ou movimentos ambientais, como o vento, as ondas do mar ou a vibração do tráfego, ajudando na não emissão de poluentes nocivos, tendo

assim um impacto ambiental relativamente baixo. Outra relevância desses materiais, vem do fato de que os mesmos não necessitam de grandes estruturas, como barragens hidrelétricas, nem interfere significativamente nos ecossistemas locais. Além disso, os materiais piezoelétricos são duráveis e podem operar por longos períodos sem a necessidade de manutenção intensiva.

Figura 3: Representação do efeito reverso da pizozeletricidade.

Os materiais piezoelétricos também oferecem a oportunidade de aproveitamento de fontes de energia alternativas e muitas vezes subutilizadas, como vibrações mecânicas em estruturas civis, movimentos oceânicos e até mesmo o simples movimento humano. Isso amplia as opções de geração de energia em regiões onde recursos tradicionais podem ser escassos ou inadequados, uma vez que podem ser integrados em uma variedade de dispositivos e estruturas, incluindo pisos e calçadas, estruturas civis, veículos, equipamentos médicos e muito mais. Isso significa que há uma ampla gama de oportunidades para aproveitar essa tecnologia em diferentes contextos e setores, tornando-a uma opção viável para projetos de energia sustentável em ambientes urbanos, rurais e industriais.

A escolha dos materiais piezoelétricos como principal referência deste projeto se justifica pela sua peculiaridade de converter energia mecânica diretamente em eletricidade, sem a utilização de combustíveis fósseis ou outras fontes não renováveis. Além de apresentarem uma elevada eficiência energética, tais materiais oferecem uma fonte de energia limpa e renovável que pode ser facilmente integrada em uma variedade de aplicações e ambientes. Assim como, eles se alinham perfeitamente com os objetivos de sustentabilidade ambiental e energética estabelecidos por diversos órgãos internacionais e governamentais.

Autor:

*Alex Gonzaga dos Santos Júnior, bolsista Fundação Araucária de Iniciação Tecnológica do NAPI EZC, sob a orientação do Prof. Dr. Eduardo A. C. Astrath docente do DFI/UEM.

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