p É uma escolha difícil:passe fome ou vá sozinho. p Quando os soldados são sobrecarregados no campo de batalha por suprimentos de comida e baterias pesadas que alimentam seus equipamentos de comunicação, muitas vezes optam por abandonar as rações. É um sacrifício para manter os dispositivos ligados e as linhas de comunicação abertas no campo.

p Menor, baterias de maior duração ajudariam a aliviar a carga de um soldado, portanto, os pesquisadores da USC estão trabalhando com o Departamento de Defesa dos Estados Unidos para desenvolver baterias melhores que pesem a metade das baterias atuais.

p A tecnologia da bateria tem impacto além do militar, também, já que as baterias alimentam tudo, de celulares a carros. À medida que as demandas mundiais de energia aumentam, Os pesquisadores da USC estão olhando de novo para um futuro movido a bateria. Baterias inovadoras podem nos ajudar a armazenar energia renovável em redes de energia em grande escala para servir cidades inteiras, diminuindo nossa dependência de combustíveis fósseis. Ao mesmo tempo, os cientistas descobriram novas fontes para essa energia.

p Começou a corrida para impulsionar uma nova revolução da bateria.

p Novos materiais para mais eficiência, Baterias de limpeza

p Existem muitos tipos de baterias recarregáveis, mas entre os mais onipresentes estão aqueles em nossos celulares e computadores:baterias de íon-lítio. Essas unidades podem armazenar duas vezes mais energia em volume do que as variedades de níquel-hidreto metálico, e eles são geralmente mais leves, também. Mas também são conhecidos por sua tendência ao calor (e lamentam por morrer nos momentos mais inconvenientes). Hora extra, eles se degradam e perdem a capacidade de reter uma carga elétrica. Os especialistas dizem que, apesar de sua popularidade, seus dias podem estar contados.

p "Um dos maiores problemas com as baterias de íon-lítio é que o lítio não é um material abundante, então não é sustentável ", diz Sri Narayan, professor de química da USC Dornsife College of Letters, Artes e Ciências e co-diretor científico do USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Na verdade, se você olhar para um futuro distante, poderíamos ficar sem lítio se continuarmos a consumi-lo no ritmo atual. Precisamos de materiais alternativos que embalem mais energia no mesmo volume sem muito lítio. "

p Narayan acredita que uma alternativa viável está no enxofre, um recurso natural abundante e barato. Ao adicionar uma membrana de condução única a uma bateria de lítio-enxofre, ele criou uma bateria que produz o triplo da energia para seu tamanho do que as tecnologias atuais de íon-lítio. Como essas baterias seriam menores e melhores no armazenamento de carga elétrica do que as baterias de íon de lítio, eles seriam ideais quando mais energia precisa ser colocada em um pequeno dispositivo. De acordo com Narayan, eles podem ser usados ​​em telefones celulares, computadores e, eventualmente, veículos elétricos, incluindo carros e até aviões.

p O potencial inovador de seu trabalho chamou a atenção do Departamento de Defesa dos EUA, que tem financiado a pesquisa de Narayan para desenvolver uma bateria mais leve para soldados no campo de batalha.

p Chongwu Zhou, professor de engenharia elétrica da Escola de Engenharia USC Viterbi, se voltou para um recurso natural diferente para melhorar as baterias de celulares. Seu projeto usa sódio - um elemento geralmente associado ao sal de cozinha - como substituto do lítio. A inovadora bateria de íon de sódio da Zhou pode ser carregada até 50% da capacidade em apenas 2 minutos. Mesmo que ainda esteja em desenvolvimento e não esteja pronto para o mercado, ele já tem uma vantagem sobre as baterias existentes:a fabricação. O sódio é barato e abundante, e é mais fácil para o meio ambiente do que o lítio, que deve ser minado.

p Tecnologia de bateria confiável e resiliente

p Uma hora de luz solar fornece mais do que toda a energia consumida no planeta em um ano. Os painéis solares são uma maneira de explorarmos parte desse universo, fonte de energia gratuita - mas o que acontece em um dia chuvoso? Os painéis solares só podem gerar energia quando o sol incide sobre eles, e as turbinas eólicas só podem gerar energia quando o vento sopra. Os altos e baixos no fornecimento dessas fontes renováveis ​​tornam difícil para as empresas de energia dependerem delas para atender à demanda dos clientes em tempo real.

p “É seguro dizer que o Sol estará lá pelos próximos 4,5 bilhões de anos; portanto, não temos uma crise de energia, mas sim uma crise de armazenamento de energia, "diz Surya Prakash, professor de química e titular da cadeira George A. e Judith A. Olah Nobel em Química de Hidrocarbonetos.

p Se as baterias pudessem armazenar energia excedente para manter um suprimento consistente à mão, no entanto, essa falta de confiabilidade esporádica pode deixar de ser um problema. É por isso que Prakash e Narayan desenvolveram uma bateria orgânica à base de água que é duradoura e barata, componentes ecológicos. Este novo design não usa metais ou materiais tóxicos e se destina ao uso em usinas solares e eólicas, onde sua capacidade de armazenamento em grande escala poderia tornar a rede de energia mais resiliente e eficiente.

p Sua tecnologia de bateria difere das baterias convencionais familiares aos consumidores. É chamada de bateria de fluxo redox e consiste em dois tanques de fluido, que armazenam a energia. Os fluidos são bombeados através de eletrodos separados por uma membrana. O fluido contém eletrólitos, e íons e elétrons fluem de um fluido para o outro através da membrana e, em seguida, do eletrodo, criando uma corrente elétrica.

p "O armazenamento de energia em grande escala é um problema crítico no futuro da energia renovável, "Narayan diz." Essas baterias de fluxo poderiam ser facilmente aumentadas para armazenar o tipo de energia excedente que é gerada. "

p Assemelhando-se a um pequeno edifício, a bateria de fluxo redox imaginada por Prakash atuaria como uma espécie de farm de baterias, armazenamento de energia excedente gerada de painéis solares próximos ou turbinas eólicas. "Você não usaria toda a energia armazenada para alimentar casas individuais, mas sim para manter a grade equilibrada, "diz Prakash, diretor do Instituto de Pesquisa de Hidrocarbonetos da USC Loker. "Quando a demanda por energia aumenta, o armazenamento fornecido por essas baterias ajudará a equilibrar a rede, permitindo a transferência de carga, para que você não dependa apenas da queima de combustíveis fósseis. "

p As novas baterias de fluxo orgânico à base de água duram cerca de 5, 000 ciclos de recarga - cinco vezes mais longos do que as baterias de íon de lítio tradicionais - dando-lhes uma vida útil de cerca de 15 anos. Com um décimo do custo das baterias de íon de lítio, eles também são muito mais baratos de fabricar, graças ao uso de abundantes, materiais sustentáveis.

p Narayan e Prakash testaram uma bateria de fluxo de 1 quilowatt capaz de fornecer energia para as necessidades básicas de eletricidade de uma pequena casa. "Estamos pensando em aumentar a escala para armazenar energia suficiente para um quarteirão inteiro, a própria cidade, e, finalmente, para uma megacidade como Los Angeles, "Narayan diz.

p Uma nova estrutura para armazenamento de energia

p Com o consumo anual de energia global projetado para continuar aumentando em cerca de 50 por cento nos próximos 30 anos, depender de recursos renováveis ​​é um dos motivadores mais importantes para o avanço da pesquisa em tecnologia sustentável. O mundo não pode continuar a depender de combustíveis fósseis para atender às demandas de energia sem consequências ambientais devastadoras, pesquisadores dizem.

p "O que devemos fazer nos próximos 30 anos é diversificar nosso portfólio de energia para incluir energias renováveis ​​e incorporá-las gradualmente para nos livrar da queima de combustíveis fósseis, ou pelo menos reduzir drasticamente, "diz Smaranda C. Marinescu, Professor assistente de química da Gabilan na USC Dornsife.

p Marinescu concentra-se em coletar a energia colhida da luz solar e armazená-la como energia química - muito parecido com o que as plantas fazem por meio da fotossíntese. Ela e sua equipe estão trabalhando em uma maneira de converter essa energia armazenada em eletricidade usando o que é chamado de estruturas metal-orgânicas. Estes flexíveis, estruturas cristalinas ultrafinas e altamente porosas têm propriedades únicas que foram usadas por cientistas principalmente para absorver e separar diferentes tipos de gás. Seu uso para aplicações de energia parecia uma causa perdida porque os pesquisadores acreditavam que não podiam conduzir eletricidade. Mas o trabalho de Marinescu mudou isso.

p No laboratório, sua equipe experimentou o material. Eles pegaram elétrons que estavam localizados em ligações (o que os impede de conduzir qualquer eletricidade) e os espalharam por ligações múltiplas, desenvolver sólidos que agora podem transportar corrente elétrica da mesma forma que os metais. "Estruturas metal-orgânicas agora têm potencial para produção e armazenamento de energia renovável, "Marinescu diz.

p As estruturas desenvolvidas por seu grupo de pesquisa contêm elementos baratos e podem transformar água ácida em hidrogênio. Isso representa um grande avanço, já que esses materiais poderiam um dia ser usados ​​em tecnologias como as dos veículos movidos a hidrogênio. Eles também podem ser espalhados em uma área enorme:são necessários apenas 10 gramas do material para revestir uma superfície do tamanho de um campo de futebol.

p A tecnologia abre a porta para o armazenamento de energia renovável em um enorme, escala quase impensável.

p Baterias com vida própria

p As baterias do futuro poderiam vir de organismos vivos?

p Moh El-Naggar, Robert D. Beyer Presidente de carreira inicial em Ciências Naturais e professor de física e astronomia, ciências biológicas e química na USC Dornsife, pensa que a natureza tem um potencial surpreendente de poder.

p El-Naggar estuda o metabolismo incomum de bactérias como Shewanella oneidensis. As bactérias transferem elétrons para superfícies sólidas como rocha, criando minúsculas cargas elétricas. Para criar uma "bateria bacteriana viva, "A equipe de El-Naggar prevê uma célula de combustível microbiana que pode gerar energia capturando elétrons das bactérias por meio de eletrodos. Os cientistas estão projetando tecnologias que exploram o processo natural de transferência de elétrons da bactéria.

p "As bactérias são máquinas altamente evoluídas que são realmente boas em converter energia e interagir com as partes não vivas do meio ambiente, "El-Naggar diz." Também estamos trabalhando no uso dos próprios processos naturais da bactéria para fazer biocombustíveis ou construir semicondutores para tecnologias de energia limpa, como células solares. "

p Mas El-Naggar adverte que as bactérias provavelmente nunca serão a resposta para as necessidades de energia em grande escala. "Em comparação com as baterias mais tradicionais, a densidade de potência que obtemos com a exploração da biologia é normalmente mais baixa, "El-Naggar diz." Mas existem nichos específicos que realmente dependem de baixa energia, onde é um desafio usar fontes de energia tradicionais. "

p Por exemplo, micróbios e dispositivos poderiam ser colocados no fundo do oceano e gerar energia suficiente para minúsculos, sensores altamente sensíveis. Os militares dos EUA estão desenvolvendo esses sensores para vigilância subaquática. Usar baterias vivas para sensores em locais oceânicos remotos seria muito mais prático do que ter que trocar as baterias tradicionais ou fornecer combustível para esses sensores.

p O trabalho de El-Naggar pode levar ao desenvolvimento de novos materiais híbridos e tecnologias renováveis ​​que combinam microorganismos com os blocos de construção sintéticos da nanotecnologia, potencialmente criando uma nova forma híbrida de energia sustentável.

p Embora provavelmente haja mais de uma solução para alimentar o planeta de forma sustentável, El-Naggar vê uma oportunidade de romper o status quo. Ele também vê a universidade pronta para expandir as possibilidades do que as melhores baterias podem fazer.

p "USC é realmente bom em quebrar barreiras entre as disciplinas científicas, e esta é uma vantagem importante para a inovação na área de energias renováveis, que não é definido por nenhuma disciplina, "El-Naggar diz. Seu laboratório inclui o mesmo número de alunos de graduação e pós-doutorado em física, ciências biológicas e química.

p "Somos muito ágeis quando se trata de ultrapassar as fronteiras tradicionais dos campos científicos."