Durante anos, a designer de tecidos Marianne Fairbanks fabricava bolsas com carga solar. Sua empresa, a Noon Solar, era voltada para o mercado de moda de alto nível urbano e, em seu auge, vendia em 30 lojas nos Estados Unidos e no Canadá. Enquanto a Noon Solar fechou suas portas em 2010, Fairbanks, que se juntou à Universidade de Wisconsin-Madison em 2014 como professor assistente na escola de ecologia humana, ainda estava intrigado com o conceito de design solar.
Quando chegou ao campus, Fairbanks descobriu Trisha Andrew, professora-assistente de química orgânica na Universidade de Massachusetts-Amherst. A especialidade de Andrew está no desenvolvimento de células solares leves e de baixo custo. Especificamente, ela havia criado uma célula solar baseada em corante orgânico no papel.
A colaboração entre os dois começou com um telefonema inocente.
“Eu perguntei a Trish”, diz Fairbanks, “se pudéssemos aplicar a ideia dela que ela usou no papel em um tecido. E foi assim que o nosso projeto começou. ”
“O modo como os eletrônicos portáteis de hoje são criados é um processo simples de embalagem”, diz Andrew. “Um Fitbit ou um relógio da Apple - todos eles têm um PCB [placa de circuito impresso], que contém o pequeno circuito eletrônico. Ele permite que você 'use' esse dispositivo, mas para mim isso não é uma eletrônica vestível. Isso é apenas algo que é remendado em outro material ”.
Sua paixão compartilhada pela inovação solar agora os leva a finalizar o projeto de um tecido solar. Enquanto os planos de Fairbanks são para cultivar um tecido acabado, Andrew espera pegar esse tecido e fabricar produtos comercializáveis. Andrew prevê painéis de tecido para assentos de carro aquecidos ou mesmo pequenos painéis solares costurados em uma peça maior.
Trisha Andrew, à esquerda, e Marianne Fairbanks, à direita, desenvolveram um protótipo tecido têxtil solar. (Foto de Jeff Miller / UW-Madison) Historicamente, os painéis solares foram feitos de vidro ou plástico - materiais que são duros e podem ser destruídos com bastante facilidade. Pesquisadores primeiro se voltaram para têxteis em 2001, em um esforço para criar um componente solar que é maleável, respirável e flexível. Desde então, os tecidos solares foram incorporados às capas dos estádios, aos estacionamentos e até mesmo à arte vestível, mas Andrew e Fairbanks afirmam que o tecido é superior aos outros grupos em termos de respirabilidade, força e densidade. Eles não só descobriram como utilizar seu processo em qualquer tipo de tecido, mas como essa é uma colaboração entre o cientista e o designer, eles também têm a capacidade de ampliar o escopo dos têxteis solares dentro de um mercado mais comercial e favorável ao consumidor.
“O maior problema é que os têxteis, de uma preocupação de engenharia e química, são incrivelmente difíceis”, diz Andrew. “Eles são um substrato tridimensional; eles não são planos.
Sua célula solar consiste em uma camada de tecido que possui quatro camadas de diferentes polímeros. A primeira camada é Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene), ou "PEDOT", que Andrew e seu assistente de pesquisa de pós-doutorado, Lushuai Zhang, descobriram que trabalhavam incrivelmente bem para aumentar a condutividade de um tecido. Os outros três revestimentos são vários corantes semicondutores, como a ftalocianina de cobre corante azul, que atuam como as camadas fotoativas ou absorvedores de luz para a célula. Andrew e Fairbanks obtiveram sucesso repetido com os dois primeiros casacos, mas ainda estão resolvendo os problemas para os casacos três e quatro.
Os tecidos, ao contrário do vidro e do plástico lisos e brilhantes, são porosos, o que os torna um pouco complicado de revestir uniformemente polímeros específicos. Se você considerar como um pedaço de tecido é criado, ele é composto de várias fibras torcidas juntas. Cada fibra terá um nível diferente de rugosidade, que, do ponto de vista da química, inclui várias escalas de luz (nanômetro, micrômetro, etc.).
"A fim de realmente colocar o polímero eletronicamente condutor sobre essa superfície, você tem que atravessar todas essas diferentes escalas de luz", diz Andrew. "E isso é difícil."
Para contornar esse problema, Andrew decidiu experimentar o Chemical Vapor Deposition (CVD), uma técnica normalmente reservada para experimentos inorgânicos que usam substratos duros como metais ou plásticos. Tirando vantagem das propriedades de transporte de massa, ou das leis físicas gerais que governam o movimento de massa de um ponto a outro, Andrew pode uniformemente revestir qualquer substância arbitrária, incluindo tecidos, porque os nanomateriais usados não se importam com a superfície do substrato. . Melhor ainda, ela aplica o PEDOT no vácuo.
O próximo passo foi determinar quais tecidos funcionariam melhor.
“Eu trouxe seda, lã, nylon - todos esses diferentes substratos”, diz Fairbanks, observando que os materiais eram amostras padrão da Jo-Ann Fabrics. Para testar os tecidos, eles revestiram cada um deles com PEDOT e outros materiais semicondutores, depois os prenderam a clipes e fios de eletrodos. Eles aplicaram tensão e mediram a corrente de saída para cada amostra.
“Alguns deles se aqueceriam, pegariam a energia e a transformariam em calor; alguns dispensaram o calor, mas realizaram muito mais facilmente ”, diz Fairbanks.
“A condutividade do PEDOT foi completamente determinada pelos têxteis subjacentes”, acrescenta Andrew. “Se tivéssemos um tecido poroso, teríamos uma condutividade maior que o cobre. Se tivéssemos um tecido muito felpudo, como uma camisa de algodão felpuda ou feltro de lã, ou tecidos muito bem tecidos, então a condutividade do PEDOT era muito ruim ”.
Com base em seus experimentos iniciais, Andrew propôs um protótipo de luva para aproveitar as várias propriedades de cada tecido. Essencialmente, seu design usava têxteis específicos para conduzir eletricidade para aquecer diferentes partes da luva. O protótipo é feito de fibra de abacaxi, que é muito condutora e absorve o calor, e algodão, que atua como um freio para manter o calor contido entre as camadas. Este é o primeiro item que a dupla criou e que espera realmente comercializar.
“O que é realmente fascinante sobre essa colaboração”, diz Fairbanks, “é que não nos unimos para criar essa luva, especificamente. Foi apenas uma dessas outras saídas secundárias da pesquisa original. ”
Através do processo de pesquisa e desenvolvimento, Andrew e Fairbanks experimentaram além de sua ideia inicial de têxtil solar, que ainda é um trabalho em progresso, para outra inovação solar que envolve revestir cada fibra individual com PEDOT e tecer as peças para formar o circuito de trabalho. . Este tecido completamente original funciona como um dispositivo triboelétrico, convertendo o movimento mecânico em energia. A dupla construiu amostras de 10 por 10 polegadas de diferentes padrões de tecelagem, com o mais eficiente gerando cerca de 400 miliwatts de energia, simplesmente agitando-a como uma pequena bandeira.
"Se você realmente fez uma cortina padrão para uma casa, algo de 4 por 4 pés, então isso é mais do que suficiente para carregar seu smartphone", diz Andrew, observando que o material só precisaria de uma brisa vindo pela janela para gerar esse nível de poder.
Andrew e Fairbanks estão trabalhando com várias empresas dentro de uma variedade de indústrias que estão interessadas em incorporar essas idéias em futuros produtos. Andrew, por exemplo, tem uma bolsa da Força Aérea destinada a produzir tendas solares para uso de soldados e tem equipamentos para atividades ao ar livre em desenvolvimento com a Patagônia.
"Eu fico muito animado, porque os têxteis são portáteis e leves", diz Fairbanks. "Eles poderiam ser implantados no deserto para um caçador ou no campo para aplicações médicas ou militares de uma maneira que os painéis solares grandes e desajeitados nunca poderiam ser."
Fairbanks vê um potencial ilimitado. O têxtil solar, diz ela, poderia ser usado para centenas de aplicações futuras, incluindo guarda-chuvas, toldos e abrigos para refugiados, enquanto o tecido triboelétrico poderia ser usado em utensílios domésticos ou roupas esportivas, como camisas e tênis - tudo o que requer movimento desde é assim que gera energia.
"Estou animado para obter 100 por cento de funcionamento e para o mundo", diz Fairbanks.
