Quando a eletrônica precisa de suas próprias fontes de energia, existem duas opções básicas:baterias e colheitadeiras. As baterias armazenam energia internamente, mas são, portanto, pesados ​​e têm um suprimento limitado. Harvesters, como painéis solares, coletar energia de seus ambientes. Isso contorna algumas das desvantagens das baterias, mas introduz novas, no sentido de que eles só podem operar em certas condições e não podem transformar essa energia em poder útil muito rapidamente.

Uma nova pesquisa da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia está preenchendo a lacuna entre essas duas tecnologias fundamentais pela primeira vez na forma de um "limpador de metal-ar" que obtém o melhor dos dois mundos.

Este limpador de metal-ar funciona como uma bateria, na medida em que fornece energia quebrando repetidamente e formando uma série de ligações químicas. Mas também funciona como uma colheitadeira, em que a energia é fornecida pela energia em seu ambiente:especificamente, as ligações químicas no metal e no ar em torno do limpador de metal-ar.

O resultado é uma fonte de energia que possui 10 vezes mais densidade de energia do que os melhores coletores de energia e 13 vezes mais densidade de energia do que as baterias de íon de lítio.

A longo prazo, este tipo de fonte de energia pode ser a base para um novo paradigma em robótica, onde as máquinas se mantêm alimentadas procurando e "comendo" metal, quebrando suas ligações químicas para obter energia, como os humanos fazem com os alimentos.

No curto prazo, essa tecnologia já está alimentando duas empresas spin-off. Os vencedores da competição anual Y-Prize da Penn estão planejando usar catadores de metal-ar para alimentar luzes de baixo custo para casas fora da rede no mundo em desenvolvimento e sensores de longa duração para contêineres que podem alertar sobre roubo, danos ou mesmo tráfico de seres humanos.

Os pesquisadores, James Pikul, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, junto com Min Wang e Unnati Joshi, membros de seu laboratório, publicou um estudo demonstrando as capacidades de seus catadores no jornal Cartas de energia ACS .

A motivação para desenvolver seu limpador de metal-ar, ou MAS, resultou do fato de que as tecnologias que compõem os cérebros dos robôs e as tecnologias que os movem são fundamentalmente incompatíveis quando se trata de miniaturização.

À medida que o tamanho dos transistores individuais diminui, os chips fornecem mais poder de computação em embalagens menores e mais leves. Mas as baterias não se beneficiam da mesma forma quando ficam menores; a densidade das ligações químicas em um material são fixas, assim, baterias menores necessariamente significam menos ligações para quebrar.

"Esta relação invertida entre desempenho de computação e armazenamento de energia torna muito difícil para dispositivos e robôs de pequena escala operarem por longos períodos de tempo, "Pikul diz." Existem robôs do tamanho de insetos, mas eles só podem operar por um minuto antes que sua bateria fique sem energia. "

Ainda pior, adicionar uma bateria maior não permitirá que o robô dure mais; a massa adicionada requer mais energia para se mover, negando a energia extra fornecida pela bateria maior. A única maneira de quebrar essa frustrante relação invertida é procurar por ligações químicas, em vez de embalá-los.

"Harvesters, como aqueles que coletam energia solar, energia térmica ou vibracional, estão melhorando, “Pikul diz.“ Eles são freqüentemente usados ​​para alimentar sensores e eletrônicos que estão fora da rede e onde você pode não ter ninguém por perto para trocar as baterias. O problema é que eles têm baixa densidade de potência, o que significa que eles não podem retirar energia do ambiente tão rápido quanto uma bateria pode fornecer. "

"Nosso MAS tem uma densidade de potência dez vezes melhor do que as melhores colheitadeiras, a ponto de podermos competir contra baterias, " ele diz, "Ele está usando a química da bateria, mas não tem o peso associado, porque está tirando esses produtos químicos do meio ambiente. "

Como uma bateria tradicional, o MAS dos pesquisadores começa com um cátodo conectado ao dispositivo que está alimentando. Embaixo do cátodo está uma placa de hidrogel, uma rede esponjosa de cadeias poliméricas que conduz elétrons entre a superfície do metal e o cátodo por meio das moléculas de água que carrega. Com o hidrogel atuando como um eletrólito, qualquer superfície de metal que toque funciona como o ânodo de uma bateria, permitindo que os elétrons fluam para o cátodo e alimentem o dispositivo conectado.

Para efeitos de seu estudo, os pesquisadores conectaram um pequeno veículo motorizado ao MAS. Arrastando o hidrogel atrás dele, o veículo MAS oxidou as superfícies metálicas que percorreu, deixando uma camada microscópica de ferrugem em seu rastro.

Para demonstrar a eficiência desta abordagem, os pesquisadores dirigiram seu veículo MAS em círculos sobre uma superfície de alumínio. O veículo foi equipado com um pequeno reservatório que continuamente injetava água no hidrogel para evitar que secasse.

"A densidade de energia é a relação entre a energia disponível e o peso que deve ser carregado, "Pikul diz." Mesmo levando em consideração o peso da água extra, o MAS tinha 13 vezes a densidade de energia de uma bateria de íon de lítio porque o veículo só precisa carregar o hidrogel e o cátodo, e não o metal ou oxigênio que fornece a energia. "

Os pesquisadores também testaram os veículos MAS em zinco e aço inoxidável. Metais diferentes dão ao MAS diferentes densidades de energia, dependendo de seu potencial de oxidação.

Esta reação de oxidação ocorre apenas dentro de 100 mícrons da superfície, então, embora o MAS possa usar todos os títulos prontamente disponíveis com viagens repetidas, há pouco risco de causar danos estruturais significativos ao metal que está eliminando.

Com tantos usos possíveis, o sistema MAS dos pesquisadores foi um ajuste natural para o Y-Prize anual da Penn, uma competição de planos de negócios que desafia as equipes a construir empresas em torno de tecnologias nascentes desenvolvidas na Penn Engineering. A equipe do primeiro lugar deste ano, Metal Light, ganhou $ 10, 000 por sua proposta de usar a tecnologia MAS em iluminação de baixo custo para residências fora da rede no mundo em desenvolvimento. M-quadrado, que rendeu $ 4, 000 em segundo lugar, pretende usar sensores alimentados por MAS em contêineres de transporte.

"A curto prazo, vemos nosso MAS impulsionando tecnologias de internet das coisas, como o que Metal Light e M-Squared propõem, "Pikul diz." Mas o que era realmente atraente para nós, e a motivação por trás deste trabalho, é como isso muda a maneira como pensamos sobre o design de robôs. "

Muitas das outras pesquisas de Pikul envolvem o aprimoramento da tecnologia, pegando dicas do mundo natural. Por exemplo, seu laboratório é de alta resistência, "madeira metálica" de baixa densidade foi inspirada na estrutura celular das árvores, e seu trabalho em um peixe-leão robótico envolvia dar a ele um sistema circulatório de bateria líquida que também acionava suas aletas pneumaticamente.

Os pesquisadores consideram seu MAS baseado em um conceito biológico ainda mais fundamental:o alimento.

"À medida que obtemos robôs mais inteligentes e capazes, não temos mais que nos restringir a conectá-los na parede. Eles agora podem encontrar fontes de energia para eles próprios, assim como os humanos fazem, "Pikul diz." Um dia, um robô que precisa recarregar suas baterias precisará apenas encontrar um pouco de alumínio para 'comer' com um MAS, o que lhe daria energia suficiente para funcionar até a próxima refeição. "