Resumo:
Equipes de pesquisa da Universidade de Arkansas e da Universidade de Michigan demonstraram recentemente uma nova tecnologia. Eles desenvolveram um dispositivo de coleta de energia baseado em grafeno que coleta energia da radiação eletromagnética ambiente gerada pelas linhas de energia circundantes e a converte em energia elétrica para alimentar sensores, permitindo operação independente sem baterias ou linhas de alimentação.
Os pesquisadores usaram essa tecnologia para construir um sistema de monitoramento de temperatura sem fio que inclui um coletor de energia de grafeno, um circuito de conversão de energia, um capacitor de armazenamento de energia e um sensor de temperatura de energia ultrabaixa. Todo o sistema obtém energia através de indução eletromagnética e pode completar a tarefa de detecção de temperatura sem depender de baterias tradicionais.
O princípio de funcionamento é baseado na mudança do campo magnético produzido pela corrente alternada. Quando uma corrente elétrica passa por um fio, ela cria um campo magnético ao seu redor, e a corrente alternada continua a mudar de direção e intensidade, liberando continuamente um campo magnético variável que transporta energia. Na rede elétrica dos EUA, essa mudança normalmente ocorre até 60 vezes por segundo. A equipe de pesquisa explorou essas fontes de energia negligenciadas para fornecer energia contínua para dispositivos independentes.
Para capturar a energia do campo magnético, os pesquisadores usaram grafeno para criar indutores e adicionaram um núcleo de aço para melhorar a capacidade de coleta de campo magnético. Quando um dispositivo é colocado próximo a uma linha de energia, o campo magnético variável ao redor do fio passa através do indutor e induz uma tensão CA fraca através dele. Este processo segue o mesmo princípio de indução eletromagnética utilizado pelos transformadores e geradores tradicionais.
No entanto, os sinais elétricos gerados inicialmente não podem acionar diretamente dispositivos eletrônicos. Por um lado, é corrente alternada, enquanto o sensor necessita de corrente contínua; por outro lado, o seu nível de tensão está longe de ser suficiente. Para tanto, a equipe de pesquisa projetou um circuito de conversão de energia baseado em um dobrador de tensão Cockcroft-Walton para retificar a corrente alternada em corrente contínua e aumentar gradualmente a tensão até um nível utilizável pelo sensor.
Ao contrário das soluções tradicionais, este sistema não utiliza baterias recarregáveis, mas utiliza três condensadores para armazenar a energia eléctrica recolhida. O capacitor acumula carga gradualmente, e os pesquisadores dizem que o coletor de energia reabastece a energia mais rápido do que o sensor de temperatura a consome, permitindo que o sistema mantenha uma operação de longo prazo.
Mesmo após o aumento de tensão e armazenamento de energia, a escala de potência obtida desta forma ainda é muito pequena. Para se adaptar a esta limitação, a equipe de pesquisa projetou especialmente um sensor de temperatura de consumo ultrabaixo, cujo consumo de energia está apenas no nível de nanowatts, que é um bilionésimo de watt. Segundo relatos, o dispositivo consome aproximadamente 30 milhões de vezes menos energia do que um fone de ouvido AirPods.
Os pesquisadores disseram que embora o indutor de grafeno não colete energia rapidamente, ainda é suficiente para reabastecer continuamente a energia armazenada no capacitor. Contanto que haja uma fonte suficiente de energia eletromagnética próxima, o sistema pode, teoricamente, operar indefinidamente. Ao mesmo tempo, o capacitor também pode armazenar o excesso de eletricidade, de modo que, mesmo que a energia circundante seja temporariamente interrompida, o dispositivo ainda possa continuar funcionando. Segundo estimativa da equipe, a carga armazenada pode manter o sensor funcionando por pelo menos 24 horas e, em alguns casos, espera-se que dure até cerca de uma semana.
O professor Paul Sibado, líder da pesquisa, destacou que embora a velocidade com que o indutor reabastece a carga do capacitor seja lenta, ela ainda é maior do que a velocidade com que o sensor consome energia. Portanto, mesmo após uma queda de energia, o sistema pode continuar a operar por um longo período de tempo com a energia armazenada no capacitor.
A equipe de pesquisa acredita que esta tecnologia é adequada para redes de monitoramento de temperatura em grandes instalações industriais. Muitas vezes, milhares de sensores precisam ser implantados em fábricas, sistemas de dutos e diversos equipamentos mecânicos. As soluções tradicionais exigem uma fiação complexa da fonte de alimentação ou a substituição frequente da bateria. Com a adoção de novas tecnologias, espera-se que um grande número de sensores funcione por muito tempo sem fios ou necessidade de manutenção de bateria.
No entanto, os pesquisadores também destacaram as limitações da tecnologia. Primeiro, o dispositivo deve estar localizado próximo a um campo magnético variável, forte o suficiente para que não possa gerar eletricidade do nada em qualquer ambiente. Em segundo lugar, as experiências actuais não provaram que o sistema possa arrancar sozinho num estado de energia completamente zero. Durante o processo de teste, o capacitor precisa ser pré-carregado e o processador precisa ser programado antecipadamente. Além disso, a potência de saída do sistema é extremamente baixa e atualmente só pode acionar sensores de potência ultrabaixa especialmente projetados, o que não é suficiente para alimentar dispositivos eletrônicos comuns, como smartphones.
No entanto, a equipe acredita que esta conquista fornece uma direção importante para o desenvolvimento de sensores autoalimentados no futuro. Além do monitoramento da temperatura, tecnologias semelhantes também podem ser usadas em muitos campos, como rastreamento de produtos, monitoramento do ambiente atmosférico, gerenciamento de frota logística, monitoramento do solo, dispositivos de saúde vestíveis e rastreamento médico no futuro.
Ao mesmo tempo, os investigadores também estão a explorar a utilização de energia acústica, energia não linear, energia solar, energia térmica, energia cinética e outras fontes de radiação ambiental para gerar electricidade, na esperança de eventualmente desenvolver um sistema de sensores autónomo que possa obter simultaneamente energia de múltiplas fontes de energia ambiental para alcançar um funcionamento verdadeiramente a longo prazo e sem manutenção.
Resultados de pesquisas relevantes foram publicados no Journal of Vacuum Science and Technology.
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