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Tecnologia usa sódio líquido e ar, triplica a densidade energética das baterias atuais e elimina emissões de carbono.
A busca por fontes de energia mais eficientes e sustentáveis acaba de ganhar um avanço importante. Pesquisadores do MIT desenvolveram uma célula de combustível de sódio que pode não apenas alimentar aviões elétricos, como também capturar carbono da atmosfera.
Utilizando sódio líquido e ar ambiente, o sistema oferece uma densidade energética até três vezes maior do que as baterias de íons de lítio atuais, além de eliminar as emissões de dióxido de carbono.
Desafio das baterias atuais no transporte pesado
As baterias tradicionais estão perto de atingir seu limite na quantidade de energia que conseguem armazenar em relação ao peso.
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Isso cria uma dificuldade para o avanço do transporte elétrico em setores de alto consumo de energia, como aviação, trens e navios.
A nova célula de combustível de sódio, desenvolvida por uma equipe de pesquisadores do MIT e colaboradores, surge como uma solução para esse desafio.
Diferente das baterias convencionais, essa célula de combustível gera eletricidade por reações químicas, mas com a vantagem de ser reabastecida rapidamente, sem a necessidade de longos períodos de recarga.
O sódio metálico líquido, material abundante e barato, é a base do sistema, que utiliza o ar comum como o segundo elemento necessário à reação.
Resultados impressionantes em testes de laboratório
Nos testes iniciais, o protótipo da célula de combustível de sódio-ar apresentou desempenho surpreendente. Armazenou mais de três vezes mais energia por quilo do que as atuais baterias de íons de lítio usadas em veículos elétricos.
As descobertas foram publicadas em 27 de maio na revista Joule pelos doutorandos Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, e pelo professor Yet-Ming Chiang e colegas.
Segundo Chiang, essa nova tecnologia pode ser revolucionária, especialmente na aviação, onde o peso é fator crucial.
Para voos regionais, que representam a maioria das viagens domésticas e cerca de 30% das emissões da aviação, a densidade energética de 1.000 watts-hora por quilo seria suficiente. As baterias atuais de íons de lítio chegam a cerca de 300 watts-hora por quilo.
Potencial para transporte marítimo e ferroviário
Além da aviação, a célula de combustível de sódio-ar também tem potencial para o transporte marítimo e ferroviário.
Esses setores demandam alta densidade energética e baixo custo, características que o novo sistema pode oferecer.
A escolha do sódio metálico se deu exatamente por ser um material de fácil obtenção e com ampla disponibilidade.
Diferença fundamental: célula de combustível em vez de bateria
Por décadas, cientistas buscaram desenvolver baterias de lítio-ar e sódio-ar, mas encontraram dificuldade em torná-las recarregáveis de forma eficiente.
A inovação do MIT está na aplicação do conceito como célula de combustível, e não como bateria tradicional.
Numa célula de combustível, os materiais energéticos entram e saem do sistema durante o funcionamento, ao contrário das baterias seladas.
Protótipos com projetos funcionais
A equipe desenvolveu dois protótipos de laboratório. O primeiro, chamado de célula H, usa dois tubos de vidro verticais conectados por um tubo central contendo o eletrólito cerâmico sólido e um eletrodo de ar poroso.
O sódio metálico líquido preenche um dos tubos, enquanto o ar circula pelo outro, fornecendo oxigênio para a reação.
O segundo protótipo utiliza um design horizontal, com uma bandeja de eletrólito cerâmico que recebe o sódio metálico líquido. O eletrodo de ar poroso fica fixado na parte inferior da bandeja, facilitando a reação.
Durante os testes, com um fluxo de ar com umidade controlada, o sistema atingiu níveis de até 1.500 watts-hora por quilo na reação localizada, o que indicaria mais de 1.000 watts-hora por quilo em escala total.
Emissões neutras de carbono e captura de CO2
Além de não emitir dióxido de carbono, a célula de combustível do MIT tem uma vantagem adicional: captura CO2 da atmosfera.
O subproduto da reação do sódio com o ar gera óxido de sódio, que rapidamente se transforma em hidróxido de sódio ao contato com a umidade.
O hidróxido, por sua vez, reage com o dióxido de carbono para formar bicarbonato de sódio, o conhecido bicarbonato de uso doméstico.
Chiang destaca que o processo ocorre de forma espontânea durante o funcionamento da célula. Além disso, se o bicarbonato de sódio for descartado no oceano, pode ajudar a neutralizar a acidez da água, contribuindo para a mitigação de outro impacto do aquecimento global.
Benefício ambiental sem custo adicional
O uso de hidróxido de sódio para capturar CO2 já foi proposto anteriormente, mas sempre com custos altos de produção. No novo sistema, o hidróxido surge naturalmente como subproduto da célula de combustível, o que elimina o custo do processo de captura.
Segurança maior do que baterias convencionais
Outro ponto importante destacado por Chiang é a segurança do sistema. Embora o sódio metálico seja altamente reativo, o projeto da célula de combustível mantém os reagentes separados. Como de um lado só há ar, não há risco de reação descontrolada em caso de vazamento, ao contrário de baterias de alta densidade energética onde ambos os reagentes ficam em contato próximo.
Apesar de ainda existir apenas em escala de laboratório, o sistema foi desenhado para ser facilmente ampliado. A equipe de pesquisa já criou a startup Propel Aero, sediada na incubadora do MIT, para desenvolver a tecnologia comercialmente.
A viabilidade de produção do sódio metálico também foi considerada. No ado, os Estados Unidos já produziram 200 mil toneladas de sódio metálico por ano, principalmente para fabricação de aditivos para gasolina com chumbo. Como o sódio provém do sal, sua abundância e ampla distribuição mundial facilitam a extração e utilização.
Cartuchos recarregáveis para reabastecimento prático
O sistema proposto prevê o uso de cartuchos recarregáveis contendo sódio metálico líquido. Esses cartuchos seriam recarregados em estações especiais, derretendo o sódio a temperaturas próximas aos 98°C, pouco abaixo da fervura da água, facilitando o processo.
O primeiro o comercial deve ser a construção de uma célula de combustível do tamanho de um tijolo, com capacidade de fornecer cerca de 1.000 watts-hora. Isso seria suficiente para alimentar grandes drones agrícolas, servindo como prova de conceito prático. A equipe espera realizar esse teste já no próximo ano.
Importância da umidade no processo
Karen Sugano, responsável por boa parte dos experimentos, identificou que a umidade do ar foi crucial para o funcionamento eficiente da célula. Testes com ar seco e com ar úmido mostraram que, sob umidade controlada, os subprodutos da reação se mantêm líquidos, o que facilita sua remoção pelo fluxo de ar.
Segundo Saahir Ganti-Agrawal, o projeto é resultado da união de várias pesquisas em áreas como células de combustível, baterias de alta temperatura e sistemas de sódio-ar. Essa combinação de conhecimentos levou ao expressivo ganho de desempenho atingido pela equipe.
