Com a demanda global crescente por energia, tecnologias de energia limpa e econômicas são agora mais necessárias do que nunca. Os sistemas hidrovoltaicos (HV) ganharam atenção para a geração de energia limpa que utiliza a interação de água e materiais nanoestruturados para gerar eletricidade. Os pesquisadores desenvolveram um novo dispositivo HV de dupla função que também funciona como um sensor de incêndio, demonstrando viabilidade a longo prazo, autossuficiência e resposta rápida. Esta inovação abre novos caminhos para aplicações sustentáveis de geração de energia em pequena escala.
Várias tecnologias de energia limpa foram desenvolvidas para atender à demanda de energia rapidamente intensificada e às reservas de combustível fóssil em declínio, mas muitas são prejudicadas pela baixa eficiência e altos custos. Mecanismos hidrovoltaicos (HV), nos quais a eletricidade é gerada pela interação direta de materiais nanoestruturados e moléculas de água, surgiram recentemente como alternativas promissoras e econômicas. Esses sistemas são promissores para alimentar sensores elétricos, incluindo sensores de incêndio.
Os sensores de incêndio tradicionais dependem de baterias para operar durante quedas de energia, mas essas baterias podem explodir durante incêndios. Em contraste, os sistemas HV extraem energia da água, onde o dispositivo fica parcialmente imerso nela, o que os torna uma alternativa mais segura. Além disso, os sensores de incêndio tradicionais enfrentam desafios como alarmes falsos disparados por fumaça de cozimento, vapor ou poeira, juntamente com altas necessidades de manutenção e vida útil limitada. Os sistemas HV superam essas limitações respondendo apenas a mudanças no fluxo de água causadas pela evaporação, como aquelas causadas pelo fogo. Apesar do seu potencial, nenhum estudo explorou ainda a integração de sistemas HV em aplicações de detecção de incêndio.
Em um estudo recente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Byungil Hwang da Escola de Engenharia Integrativa da Universidade Chung-Ang desenvolveu um dispositivo HV inovador que funciona como um sensor de incêndio.
“Nosso sistema hidrovoltaico pode produzir até algumas dezenas de microwatts, tornando-o perfeito para aplicações de pequena escala, como detectores de incêndio e sistemas de monitoramento de saúde. Este sistema é autossuficiente, requer apenas alguns mililitros de água e tem um tempo de resposta rápido”, explica o Prof. Hwang.
Os sistemas HV consistem em substratos hidrofílicos cobertos com uma camada nanoporosa com uma superfície altamente carregada capaz de atrair prótons da água. Quando imersos em água, os prótons são atraídos para a superfície carregada negativamente da nanoestrutura, formando uma camada dupla elétrica (EDL). A EDL consiste em duas camadas paralelas de cargas opostas em ambos os lados de uma superfície, neste caso, a nanoestrutura do sistema HV. A evaporação, causada pelo aumento da temperatura da luz visível ou infravermelha ou um incêndio, atua como uma força motriz, fazendo com que a água flua desta região imersa para a região não imersa por meio de ação capilar. Este fluxo de água gera uma assimetria de densidades de prótons, causando uma diferença de potencial ao longo da direção do fluxo, conhecida como potencial de streaming, que pode então ser aproveitada para produzir eletricidade.
O dispositivo proposto no estudo utiliza algodão residual integrado com Triton X-100 e PPy, coletivamente denominados CPT, como a camada nanoporosa. Esta camada CPT é colocada em um tubo cilíndrico com eletrodos de alumínio resistentes à corrosão em ambas as extremidades, parte dos quais é imersa em água. A cor preta do PPy aumenta a absorção de luz e, portanto, a evaporação na extremidade não imersa, enquanto o Triton X-100 induz uma alta carga de superfície no EDL, facilitando uma geração de alta voltagem. Este design permite a geração de eletricidade simplesmente iluminando o dispositivo.
Os testes revelaram que o dispositivo pode gerar uma voltagem máxima de 0,42 Volts e 16 a 20 microamperes de corrente sob luz infravermelha. Como um dispositivo de detecção de incêndio, ele exibe um tempo de resposta rápido de 5 a 10 segundos. Além disso, ele manteve excelente estabilidade ao longo de 28 dias de testes contínuos, sem corrosão ou degradação no desempenho, indicando viabilidade a longo prazo. Ele também teve um desempenho robusto em ambientes variados.
“Esta é a primeira demonstração do uso de um sistema hidrovoltaico em uma aplicação de detecção de incêndio, mas o sistema HV tem o potencial de ser uma fonte de energia sustentável para vários sistemas de sensores, como sistemas de monitoramento ambiental e de saúde que exigem operação ininterrupta.” observa o Prof. Hwang.
