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Terceira Parte:
Brasileiros estudam fenômenos
relacionados à eletricidade atmosférica, como os raios.
Pesquisadores brasileiros reunidos no
Instituto Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação em Materiais Complexos
Funcionais (Inomat), que tem sua sede na Universidade
Estadual de Campinas (Unicamp) iniciaram uma pesquisa neste sentido, a água eletrizada.
Apesar de sua importância para a compreensão
de fenômenos relacionados à eletricidade atmosférica, como os raios, e de ter
dado origem a tecnologias como a da fotocópia, a área da eletrostática
permanecia praticamente estagnada até a última década.
A principal razão para isso era a falta de
novas teorias e técnicas experimentais que permitissem identificar e classificar
adequadamente quais entidades, íons ou elétrons conferem carga aos materiais.
"Os novos modelos de
distribuição de carga eletrostática têm aberto possibilidades para o
desenvolvimento de materiais que não apresentam problemas atribuídos à
eletrização, como incêndio espontâneo, por exemplo", disse Fernando
Galembeck, coordenador do Inomat. "As descobertas na área ainda poderão
contribuir, no futuro, para a geração de energia."
Fenômeno da
triboeletrificação demonstrado pelos pesquisadores brasileiros usando esferas
de vidro. [Imagem: Thiago Burgo et al./10.1038/srep02384]
Os pesquisadores do grupo de Galembeck
descobriram que a água na atmosfera pode adquirir cargas elétricas e
transferi-las para superfícies e outros materiais sólidos ou líquidos.
Por meio de um experimento em que utilizaram
minúsculas partículas de sílica e de fosfato de alumínio, os pesquisadores
demonstraram que, quando exposta à alta umidade, a sílica se torna mais
negativamente carregados, enquanto o fosfato de alumínio ganha carga positiva.
A descoberta da eletricidade proveniente da
umidade -
denominada pelos pesquisadores brasileiros de
"higroeletricidade"
- teve repercussão mundial.
Assunto correlato:
Cientista brasileiro descobre como coletar energia do ar
Alimentar casas e fábricas com eletricidade coletada
diretamente do ar pode ser possível: cientistas brasileiros
resolveram um enigma científico que duravam séculos
sobre como a umidade na atmosfera torna-se
eletricamente carregada, abrindo caminho para seu
aproveitamento.
Imagine dispositivos
capazes de capturar a eletricidade do ar e usá-la para abastecer residências ou
recarregar veículos elétricos, por exemplo.
Fernando Galembeck, da
Unicamp apresentou suas descobertas históricas hoje (25) durante a reunião da American
Chemical Society(ACS), em Boston, nos Estados Unidos.
[Imagem: Unicamp]
Da mesma forma que
painéis solares transformam a
luz do Sol em energia, esses painéis futurísticos poderão coletar a
eletricidade do ar - a mesma eletricidade que forma os relâmpagos - e
direcioná-la de forma controlada para alimentar qualquer equipamento elétrico,
nas casas e nas indústrias.
Se isso parece
revolucionário demais, mais entusiasmaste ainda é saber que a descoberta que
poderá tornar esses sonhos uma realidade foi feita por um
cientista brasileiro.
O professor Fernando
Galembeck, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) apresentou suas
descobertas históricas hoje (25) durante a reunião da American
Chemical Society (ACS), em Boston, nos Estados Unidos.
"Nossa pesquisa
pode abrir o caminho para transformar a eletricidade da atmosfera em uma fonte
de energia alternativa para o futuro," disse Galembeck. "Assim como a
energia solar está liberando algumas residências de pagar contas de energia
elétrica, esta nova e promissora fonte de energia poderá ter um efeito
semelhante."
Eletricidade
atmosférica
A descoberta do
professor Galembeck parece resolver um enigma científico que já dura séculos:
como a eletricidade é produzida e descarregada na atmosfera.
No início da
Revolução Industrial, os cientistas perceberam que o vapor que saía das
caldeiras gerava faíscas de eletricidade estática - trabalhadores que se
aproximavam dos vapores eram freqüentemente atingidos pelos choques elétricos.
Mas essa
eletricidade se forma também em locais mais amenos, quando o vapor de água se
junta a partículas microscópicas no ar, o mesmo processo que leva à formação das nuvens - é aí que começam a nascer os
relâmpagos.
Nikola Tesla ficou
famoso pelas suas tentativas de capturar e utilizar essa eletricidade do ar,
tentativas infelizmente nem sempre bem-sucedidas.
Mas, até agora, os
cientistas não tinham um conhecimento suficiente sobre os processos envolvidos
na formação e na liberação de eletricidade a partir da água dispersa pela
atmosfera.
"Se nós
soubermos como a eletricidade se acumula e se espalha na atmosfera, nós também
poderemos evitar as mortes e os danos provocados pelos raios," estima
Galembeck.
Higroeletricidade
Os cientistas sempre
consideraram que as gotas de água na atmosfera são eletricamente neutras, e
permanecem assim mesmo depois de entrar em contato com as cargas elétricas nas
partículas de poeira e em gotículas de outros líquidos.
Mas o professor
Fernando Galembeck e sua equipe descobriram que a água na atmosfera adquire sim
uma carga elétrica.
O grupo brasileiro
confirmou essa idéia por meio de experimentos de laboratório que simulam o
contato da água com as partículas de poeira no ar.
Eles usaram
minúsculas partículas de sílica e fosfato de alumínio - ambas substâncias
comumente dispersas no ar - para demonstrar que a sílica se torna mais
negativamente carregada na presença de alta umidade, enquanto o fosfato de
alumínio se torna mais positivamente carregado.
"Esta é uma
evidência clara de que a água na atmosfera pode acumular cargas elétricas e
transferi-las para outros materiais que entrem em contato com ela,"
explicou Galembeck. "Nós a chamamos de higroeletricidade, ou seja, a
eletricidade da umidade."
Coletores
de energia do ar
Painéis para capturar
a energia higroelétrica poderão ser colocados no topo dos prédios para drenar a
energia do ar e impedir o acúmulo das cargas elétricas que são liberadas na
forma de raios. [Imagem: Martin Fischer]
No futuro, segundo
Galembeck, poderá ser possível desenvolver coletores - similares às células
solares que coletam a luz solar para produzir eletricidade - para capturar a
higroeletricidade e permitir seu uso em residências e empresas.
Assim como as
células solares funcionam melhor nas regiões mais ensolaradas do mundo, os
painéis higroelétricos vão funcionar de forma mais eficiente em áreas com alta
umidade, uma característica das regiões tropicais, Brasil incluído.
Alta umidade
significa altos níveis de vapor de água no ar - um vapor que se torna visível
ao se condensar e embaçar os vidros do carro, por exemplo, e cuja baixa
intensidade incomoda tanto nos dias secos de inverno.
Galembeck afirmou em
sua apresentação que uma abordagem semelhante poderia ajudar a prevenir a
formação de raios. Ele vislumbra a colocação de painéis higroelétricos no topo
de prédios em regiões onde ocorrem muitas tempestades. Os painéis drenariam a
energia do ar, impedindo o acúmulo das cargas elétricas que são liberadas na
forma de raios.
Seu grupo de
pesquisa já está testando metais para identificar aqueles com maior potencial
para utilização na captura da eletricidade atmosférica e prevenção dos raios.
"São idéias
fascinantes que novos estudos, nossos e de outras equipes de cientistas,
poderão tornar realidade," disse Galembeck. "Nós certamente temos um
longo caminho a percorrer. Mas os benefícios no longo prazo do aproveitamento
da higroeletricidade podem ser substanciais."
Fenômenos
eletrostáticos
Durante o século 19,
houve vários relatos experimentais associando a interface ar-água e os
fenômenos eletrostáticos da chamada "eletricidade do vapor". O famoso
Lord Kelvin idealizou um equipamento, que ele chamou de condensador de gotas de
água, para reproduzir experimentalmente o fenômeno.
Contudo, até hoje
ninguém havia conseguido descrever os mecanismos do acúmulo e da dissipação das
cargas elétricas na interface ar-água.
Isso pode dar a
dimensão dos resultados agora obtidos pelos cientistas brasileiros.
O trabalho do
professor Fernando Galembeck e sua equipe demonstram que a adsorção do vapor de
água sobre superfícies de materiais isolantes (dielétricos) ou de de metais
isolados - devidamente protegidas dentro de um ambiente blindado e aterrado -
leva à acumulação de cargas elétricas sobre o sólido, em um intensidade que
depende da umidade relativa do ar, da natureza da superfície usada e do tempo
de exposição.
A pesquisa verificou
ainda um aumento acentuado nas cargas elétricas acumuladas quando são usados
substratos líquidos ou isolantes sólidos, sob a ação de campos externos, quando
a umidade relativa do ar se aproxima de 100%.”
Segundo Galembeck, a descoberta abriu caminho
para o desenvolvimento da "água eletrizada" - água com excesso de
cargas elétricas -, em condições bem definidas, que pode ser útil para o
desenvolvimento de sistemas hidráulicos.
"Em vez da pressão, o sinal utilizado em
um sistema hidráulico com base na água eletrizada poderia ser o potencial
elétrico, mas com corrente muito baixa, da própria água", explicou.
Outra possibilidade mais para o futuro seria
o desenvolvimento de dispositivos capazes de coletar eletricidade diretamente
da atmosfera ou de raios.
"Fizemos
algumas tentativas nesse sentido, mas não obtivemos resultados interessantes
até agora", contou Galembeck. "Mas essa possibilidade de captar a
eletricidade da atmosfera existe e já descrevemos um capacitor carregado
espontaneamente quando exposto ao ar úmido."
A
teoria da equipe brasileira está chamando a atenção de pesquisadores da área em
todo o mundo, sobretudo pelas possibilidades de aplicações práticas. [Imagem:
Thiago Burgo et al./10.1021/la301228j]
Triboeletrização
A mais recente contribuição do grupo para o
avanço do conhecimento sobre a eletrostática foi desvendar alguns dos
mecanismos envolvidos na triboeletrização ou geração de eletricidade por
atrito.
Considerada o fenômeno eletrostático mais
comum, a triboeletrização era mal compreendida e começou a ser mais bem
estudada a partir do fim da década de 1990, contou Galembeck.
Por meio de experimentos com
politetrafluoretileno - um tipo de polímero isolante -, os pesquisadores
brasileiros demonstraram que o atrito entre as superfícies de materiais
condutores (dielétricos) produz padrões fixos e estáveis de cargas elétricas
com uma distribuição não uniforme nas duas faces do material.
A descoberta desmistificou a idéia de que
materiais como vidro, fibra sintética, lã e alumínio têm tendência a adquirir
somente carga positiva ou só negativa quando atritados.
O que gera a eletricidade estática? Vide link abaixo.
Voltando as pesquisas do Prof. Galembeck...
O grupo brasileiro demonstrou que, em alguns
casos, o principal componente do atrito é justamente a triboeletrização.
"A triboeletrização cria interações entre os materiais que aumentam ou até
diminuem o atrito", disse Galembeck.
Segundo ele, a descoberta pode contribuir
para o desenvolvimento de materiais mais resistentes aos desgastes ocasionados
pelo atrito, tais como lonas de freio e pneus de automóveis, ou com menor
consumo de energia.
"Estima-se que 30% de toda a energia
produzida no mundo seja dissipada ou jogada fora por causa do atrito,"
afirmou Galembeck. "Se conseguíssemos controlar o atrito dos materiais,
seria possível consumir menos energia do que usamos hoje."
Outra pesquisa envolvendo raios...
Outro tema novo é o aproveitamento das
características das descargas elétricas, sendo
utilizadas para identificação de problemas na isolação
ao longo da instalação de linhas e subestações.
Raios vão ajudar a evitar apagões
Para quem não é iniciado
entender, a onda básica do raio já conhecida. Sabe-se que ao mudar do meio ar
para o meio das instalações elétricas sua velocidade cai pela metade, algo em
torno de 150 Km/s. As sobre tensões causadas sobre as linhas de transmissão de
energia elétrica vão se descarregando ao longo do caminho, gerando fenômenos
elétricos de descontinuidade que poderão ser medidos, basicamente é isto que se
trata as pesquisas. Conhecendo a característica padrão, a anormalidade poderá
ser detectada quando se mostra diferente.
O lado bom dos raios
Raios são bem conhecidos como inimigos das
redes de energia.
Mesmo quando eles não causam o desligamento
total da rede, causando os apagões, as correntes induzidas pelos raios - os
chamados transientes naturais - desgastam rapidamente a saúde dos componentes
ao longo da rede de distribuição.
Roya Nikjoo, do Instituto Real de Tecnologia
da Suécia, decidiu ver o lado positivo da coisa e analisar se poderia tirar
algum proveito dos raios em benefício das redes elétricas.
O que ela descobriu poderá não apenas ajudar
a monitorar a saúde dos componentes elétricos, como também evitar os apagões.
Roya Nikjoo descobriu uma forma
de tirar proveito dos raios e transformá-los em uma ferramenta de
"medicina preventiva" para as redes elétricas. [Imagem: Hakan
Lindgren/RIT]
Impressão digital da rede elétrica
A técnica pode ser considerada como uma
espécie de "medicina preventiva" para a rede elétrica - os
componentes podem ser substituídos ou consertados antes que falhem de forma
catastrófica, geralmente induzindo defeitos nos componentes vizinhos.
Nikjoo desenvolveu um sistema que usa os
transientes naturais para medir o desgaste dos componentes de potência.
As medições começam quando os sinais criados
pelos raios derrubam um circuito elétrico, interrompendo a corrente ou
desviando-a de um condutor para outro.
Esses sinais são usados como
"estímulos" para obter uma resposta dos componentes de energia,
explica Nikjoo.
A saída é uma representação gráfica do
sistema, da mesma maneira que um ultra-som produz uma imagem de um feto.
"É como tirar a impressão digital do
componente," disse Nikjoo. "Conforme essa digital muda, eu posso
usá-la para identificar o bem-estar do componente, e saber se algo está
errado."
"Nós podemos usar essas altas tensões
para obter mais informações sobre o estado de componentes como transformadores
e isoladores do que por meio das inspeções tradicionais," conclui a
engenheira.
Fontes:
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