Como gerar energia em ambiente entre um rio e o mar, nos Estuário

Os rios podem gerar milhares de usinas nucleares em potencial de energia, graças a uma nova membrana ‘azul’

BOSTON – Os defensores da energia verde podem em breve ficar azuis. Uma nova membrana poderia desbloquear o potencial da “energia azul”, que usa diferenças químicas entre água doce e salgada para gerar eletricidade.

Se os pesquisadores puderem ampliar a membrana do tamanho de um selo postal de maneira acessível, ela poderá fornecer energia limpa para milhões de pessoas em nações costeiras onde os rios de água doce encontram o mar.

“É impressionante”, diz Hyung Gyu Park, engenheiro mecânico da Pohang University of Science and Technology, na Coreia do Sul, que não estava envolvido com o trabalho. “Esperamos por esse sucesso por muitos anos.”

A promessa da energia azul decorre de sua escala: os rios despejam cerca de 37.000 quilômetros cúbicos de água doce nos oceanos todos os anos.

Essa interseção entre a água doce e a salgada cria o potencial de gerar muita eletricidade – 2,6 terawatts, de acordo com uma estimativa recente, aproximadamente a quantidade de energia que pode ser gerada por 2.000 usinas nucleares.

Existem várias maneiras de gerar energia a partir dessa mistura.

Algumas usinas de energia azul foram construídas.

Mas seu alto custo impediu a adoção generalizada.

Todas as abordagens da energia azul baseiam-se no fato de que os sais são compostos de íons, ou substâncias químicas que contêm uma carga positiva ou negativa.

Nos sólidos, as cargas positivas e negativas se atraem, unindo os íons. (O sal de mesa, por exemplo, é um composto feito de íons de sódio carregados positivamente ligados a íons de cloreto carregados negativamente.)

Na água, esses íons se destacam e podem se mover independentemente.

Ao bombear os íons positivos – como sódio ou potássio – para o outro lado de uma membrana semipermeável, os pesquisadores podem criar duas piscinas de água: uma com carga positiva e outra com carga negativa.

Se eles colocarem eletrodos nas piscinas e conectá-los com um fio, os elétrons irão fluir do lado carregado negativamente para o lado carregado positivamente, gerando eletricidade.

Em 2013, pesquisadores franceses fizeram exatamente essa membrana.

Eles usaram um filme cerâmico de nitreto de silício – comumente usado na indústria de eletrônicos, ferramentas de corte e outros usos – perfurado por um único poro revestido com um nanotubo de nitreto de boro (BNNT), um material que está sendo investigado para uso em compósitos de alta resistência, entre outras coisas.

Como os BNNTs são altamente carregados negativamente, a equipe francesa suspeitou que eles impediriam que íons carregados negativamente na água passassem através da membrana (porque cargas elétricas semelhantes se repelem).

Seu palpite estava certo. Eles descobriram que , quando uma membrana com um único BNNT era colocada entre a água doce e a salgada, os íons positivos passavam do lado salgado para o fresco, mas os íons carregados negativamente eram bloqueados em sua maioria.

O desequilíbrio de carga entre os dois lados era tão forte que os pesquisadores estimaram que um único metro quadrado da membrana – cheia de milhões de poros por centímetro quadrado – poderia gerar cerca de 30 megawatts-hora por ano. Isso é o suficiente para alimentar três casas.

Mas criar até mesmo filmes do tamanho de um selo postal se mostrou impossível, porque ninguém descobriu como fazer todos os longos e finos BNNTs alinhados perpendicularmente à membrana. Isso até agora.

Na reunião semestral da Sociedade de Pesquisa de Materiais aqui ontem, Semih Cetindag, um Ph.D.

O estudante do laboratório do engenheiro mecânico Jerry Wei-Jen Shan na Rutgers University em Piscataway, New Jersey, relatou que sua equipe já decifrou o código.

Os nanotubos foram fáceis. Cetindag diz que o laboratório os compra de uma empresa fornecedora de produtos químicos.

Os cientistas então os adicionam a um precursor de polímero que se espalha em um filme de 6,5 micrômetros de espessura.

Para orientar os tubos alinhados aleatoriamente, os pesquisadores queriam usar um campo magnético.

O problema: os BNNTs não são magnéticos.

Então a Cetindag pintou os tubos carregados negativamente com um revestimento carregado positivamente. As moléculas que o compunham eram grandes demais para caber nos BNNTs e, portanto, deixavam seus canais abertos.

A seguir, o cetindag adicionou partículas de óxido de ferro magnético com carga negativa à mistura, que foram fixadas nos revestimentos com carga positiva.

Isso deu à equipe Rutgers a alavanca que estavam procurando.

Quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético, eles puderam manobrar os tubos de modo que a maioria deles se alinhassem ao longo do filme de polímero.

Eles então aplicaram luz ultravioleta para curar o polímero, travando tudo no lugar.

Finalmente, a equipe usou um feixe de plasma para remover parte do material das superfícies superior e inferior da membrana, garantindo que os tubos estivessem abertos para os dois lados.

A membrana final continha cerca de 10 milhões de BNNTs por centímetro cúbico.

Quando os pesquisadores colocaram sua membrana em um pequeno recipiente separando água doce e salgada, produziu quatro vezes mais energia por área do que o experimento BNNT da equipe francesa anterior.

Esse aumento de potência, diz Shan, é provavelmente porque os BNNTs que eles usaram são mais estreitos e, portanto, fazem um trabalho melhor de excluir íons de cloreto carregados negativamente.

E eles suspeitam que podem fazer ainda melhor. “Não estamos explorando todo o potencial das membranas”, diz Cetindag.

Isso porque apenas 2% do BNNTS foram realmente abertos em ambos os lados da membrana após o tratamento com plasma.

Agora, os pesquisadores estão tentando aumentar o número de poros abertos em seus filmes – o que poderia um dia dar um impulso há muito procurado para os defensores da energia azul.