O segredo para capturar eletricidade usando a umidade do ar está nos nanoporos, e não no próprio material.
[Imagem: Derek Lovley/Ella Maru Studio]

Eletricidade gerada do ar

Há anos se sabe que nanofios bacterianos, produzidos pela bactéria Geobacter sulfurreducens, podem ter aplicações práticas, inclusive tornando a nanoeletrônica mais verde, produzindo circuitos totalmente biodegradáveis.

Em 2020, a equipe do professor Jun Yao, da Universidade de Massachusetts, nos EUA, descobriu que uma malha desses nanofios orgânicos era capaz de capturar eletricidade diretamente do ar, criando uma nova alternativa de colheita de energia que, assim como os mais conhecidos nanogeradores triboelétricos, pode ser usada para alimentar sensores e pequenos dispositivos da internet das coisas.

Agora, contudo, a equipe descobriu que a captura de eletricidade do ar não se deve aos nanofios em si, mas à estrutura do material que eles construíram - basicamente, um material cheio de poros minúsculos. Além de facilitar a fabricação do gerador, isso permite ampliar largamente a escala da captura de eletricidade.

"O que percebemos depois de fazer a descoberta da Geobacter é que a capacidade de gerar eletricidade a partir do ar - o que chamamos de 'efeito gerador do ar' - acaba sendo genérica: Literalmente qualquer tipo de material pode colher eletricidade do ar, desde que tenha uma certa propriedade," contou o professor Yao.

E essa propriedade é muito simples: Basta perfurar o material, criando uma matriz de orifícios que sejam menores do que 100 nanômetros de diâmetro, o que é mais ou menos um milésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano.

Efeito 'gerador do ar', a base do funcionamento da nuvem artificial.
[Imagem: Xiaomeng Liu et al. - 10.1002/adma.202300748]

Nuvem artificial

O ar atmosférico contém naturalmente uma quantidade massiva de eletricidade.

"Pense em uma nuvem, que nada mais é do que uma massa de gotículas de água. Cada uma dessas gotículas contém uma carga e, quando as condições são adequadas, a nuvem pode produzir um raio - mas não sabemos como capturar eletricidade de maneira confiável do raio. O que fizemos foi criar uma nuvem em pequena escala, construída pelo homem, que produz eletricidade para nós de forma previsível e contínua, para que possamos colhê-la," explicou Yao.

Em vez de um aglomerado de gotículas, a nuvem artificial da equipe contém uma matriz de furos, que precisam ter dimensões e um adensamento adequados para capturar as cargas elétricas.

Essa exigência quanto às dimensões se dá por causa de um parâmetro conhecido como "caminho médio livre", a distância que uma molécula de uma substância, neste caso a água no ar, percorre antes de colidir com outra molécula da mesma substância. Quando as moléculas de água estão suspensas no ar, seu caminho livre médio é de cerca de 100 nm.

Quando um dos lados do material devidamente perfurado é colocado em contato com o ar, as moléculas de água passam de um lado para o outro. Mas, como cada poro é tão pequeno, as moléculas de água colidem facilmente com a borda do poro ao passar pela camada fina.

Isso significa que a parte externa da camada é bombardeada com muito mais moléculas de água eletricamente carregadas do que a parte interna, criando um desequilíbrio de cargas - como acontece em uma nuvem - uma vez que a parte externa absorve mais cargas do que a parte interna. Isso efetivamente cria uma bateria - uma bateria que fornecerá eletricidade enquanto houver umidade no ar.

Algumas das nuvens artificiais construídas pela equipe usando diversos materiais.
[Imagem: Xiaomeng Liu et al. - 10.1002/adma.202300748]

Colheita de energia da umidade

Como a umidade está presente no ar virtualmente o tempo todo e em qualquer lugar, a colheitadeira de eletricidade funciona 24 horas por dia, faça chuva ou faça sol, com ou sem vento, o que resolve um dos principais problemas de tecnologias como a energia eólica ou a energia solar, que só funcionam sob certas condições.

E, como a umidade do ar se difunde no espaço tridimensional e a espessura do dispositivo é apenas uma fração da largura de um fio de cabelo humano, muitos milhares deles podem ser empilhados uns sobre os outros, aumentando a quantidade de energia sem aumentar a área de terreno ocupada. Segundo a equipe, uma fazenda desses coletores de energia seria capaz de fornecer energia em nível de quilowatt.

A colheitadeira pode ser projetada literalmente a partir de todos os tipos de materiais, oferecendo amplas opções para fabricações econômicas e adaptáveis ao ambiente. "Você pode imaginar coletores feitos de um tipo de material para ambientes de floresta tropical e outro para regiões mais áridas," exemplificou Yao.

"Imagine um mundo futuro no qual a eletricidade limpa esteja disponível em qualquer lugar que você vá. O efeito genérico Ar-gen significa que este mundo futuro pode se tornar uma realidade," finalizou o pesquisador.