A fibra de carbono é usada principalmente por seu peso leve e valorizada por sua resistência e rigidez. Mas quando Leif Asp olha para o material, ele vê a oportunidade de fazer o serviço duplo de uma maneira que poderia melhorar drasticamente a eficiência de carros e aviões.
"A bateria é um parasita estrutural", diz o engenheiro e professor da Chalmers University of Technology, na Suécia, o que significa que aumenta a eficiência do peso e do sabugo, sem contribuir para a força física e a estrutura do carro que está alimentando. Mas e se os veículos fossem construídos com baterias?
É aí que o Asp realmente está indo com essa tecnologia. Ele quer ver carros, aviões, barcos, até mesmo smartwatches e outros eletrônicos de consumo feitos de um material que atua tanto como corpo quanto como fonte de energia - algo conhecido como “bateria estrutural”. Um carro com baterias estruturais pode pesar até 50 por cento menos do que um EV típico que tem pesadas baterias de íon de lítio embaixo dele, diz Asp.
Não é novidade que a fibra de carbono tenha propriedades eletroquímicas. Como a grafite, o material é, em certas configurações, capaz de condutividade. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers solicitaram uma patente nos EUA de uma bateria feita de fibra de carbono, mas, na verdade, trazer uma para o mercado provou ser complicado para o pequeno número de pessoas que estudam a idéia. Uma nova pesquisa da equipe de Asp identificou um aspecto particular do material que torna seu uso potencial como baterias estruturais muito mais realista.
Leif Asp com uma bobina de fio de fibra de carbono (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Todo o carbono não é criado igual, no entanto, e diferentes tipos de carbono têm propriedades diferentes que os tornam aplicáveis a diferentes usos. O objetivo da Asp é entender o que se comporta como e por que, e aplicar isso a aplicações estruturais.
"As fibras de carbono que estão disponíveis no mercado, elas foram feitas para aplicações estruturais ou feitas para aplicações elétricas", diz ele. Aplicações estruturais são o que estamos mais familiarizados com o carbono que compõe as bicicletas e outros produtos fortes e leves, mas os componentes elétricos também são feitos do material também, embora de um tipo diferente. Ele acredita que há carbono que pode fazer as duas coisas.
Em sua última pesquisa, Asp e seus colaboradores compararam três compósitos e os examinaram através de microscopia eletrônica e espectroscopia a laser. Eles construíram a fibra em baterias, analisaram o tamanho e a orientação dos cristais de átomos de carbono ligados entre si e compararam a rigidez, a resistência e as propriedades eletroquímicas dos diferentes materiais. Cristais menores, com estrutura mais desorientada, tendem a ser mais eletroquimicamente reativos - isto é, eles são mais capazes de pegar, armazenar e liberar elétrons e, assim, agir como baterias. No entanto, esses tipos de carbono são menos rígidos do que aqueles com cristais mais longos e alinhados. (De qualquer maneira, eles são muito pequenos; Asp comparou fibra com cristais de 18 a 28 angstroms a cristais de 100 a 300 angstroms, e um angstrom é um bilionésimo de um metro.)
A visão dos pesquisadores é de veículos onde uma grande parte do corpo do carro ou fuselagem do avião consiste em baterias de íon de lítio estruturais. (Yen Strandqvist, Universidade Chalmers de Tecnologia) Usar uma fibra de carbono que sacrifique um pouco de rigidez para alcançar uma melhor condutividade pode não ser um problema, porque o material ainda era mais rígido que o aço e capaz de carregar uma carga estrutural. Também não carregará uma carga tão eficientemente quanto baterias tradicionais, entretanto, se a maioria do carro é feito do material, não precisará porque a eficiência global ainda será grandemente aumentada. Parceiros da indústria como a Airbus, que trabalha com a Asp desde 2015, referem-se a isso como “armazenamento de energia sem massa”.
Ainda assim, é a tecnologia que está muito longe de ser prática - potencialmente décadas, diz Adrian Mouritz, reitor executivo da escola de engenharia da Universidade RMIT, em Melbourne. Mouritz também trabalha com armazenamento de energia estrutural usando fibra de carbono, mas seu trabalho incorpora baterias de lítio-íon dentro de sanduíches de carbono, ajudando a transportar parte da carga estrutural e reduzindo o peso morto das baterias, embora não tão extensivamente quanto a versão de Asp.
“A abordagem que estamos tomando, o material compósito já está comprovado, a bateria em si já está comprovada. Tudo o que estamos tentando provar é a integração da bateria no compósito, o que é um passo muito menor a tomar ”, diz Mouritz. “O Leif's é… mais tecnicamente complexo, mas seus benefícios a longo prazo serão mais fortes. Ele ainda requer muito mais pesquisa e desenvolvimento para otimizar os materiais e o design do sistema atual. ”
Asp e seu laboratório estão trabalhando para torná-lo viável já. Pesquisas iniciais (2014 e anteriores) modificaram as fibras de carbono, introduzindo uma bainha de eletrólitos de polímero laminado que ajuda a fibra a armazenar e liberar íons com mais eficiência, da mesma forma que uma bateria de íon de lítio usa um eletrólito intermediário.
"Para isso, é claro, seria um longo tempo longe", diz Asp. Ele está trabalhando com a Airbus para produzir uma demo, a ser lançada no próximo ano, que substitui as luzes internas e os cabos por fibra de carbono estrutural. Embora a maior economia de peso possa estar na eliminação da necessidade de combustível, que, segundo Mouritz, responde por um terço ou mais do orçamento operacional de uma companhia aérea, a demonstração da Airbus será uma ilustração de que a tecnologia é viável.
Mouritz vê a tecnologia sendo aplicada a carros de luxo e carros de Fórmula 1 em primeiro lugar, e a ampla adoção no mercado de consumo quando o preço cai e a confiabilidade é confirmada. "Se você pode leve sua aeronave, se você pode leve seu automóvel, a economia de custo líquido real deste é na casa das centenas de milhões, se não nos bilhões de dólares", diz ele.
“A outra coisa, é claro”, acrescenta Mourtiz, “é que, se estou reduzindo meu consumo de combustível, estou realmente reduzindo minhas emissões de gases do efeito estufa”.
