Buraco negro acústico concentra vibrações para gerar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/09/2021

O metamaterial mole permitiu escapar do delicado formato de cunha do buraco negro acústico.
[Imagem: Hanchuan Tang et al. - 10.1093/nsr/nwab133]

Concentração de vibrações

Energia verde com um suprimento quase ilimitado, obtido localmente, pode ser obtida transformando em eletricidade as vibrações mecânicas amplamente disponíveis em ambientes naturais, criaturas vivas e máquinas.

Foi isto que fez explodir o interesse pelos nanogeradores, muito promissores para alimentar eletrônicos de consumo vestíveis integrados em roupas, implantes no corpo humano, dispositivos da Internet das Coisas e até mesmo veículos autônomos em ambientes hostis.

No entanto, tem sido difícil coletar as vibrações de diferentes frequências que ocorrem no mundo real, especialmente dentro da faixa de alta frequência.

Hanchuan Tang e seus colegas da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia, na China, acreditam ter encontrado a solução para isso nos chamados "buracos negros acústicos".

Usando seu dispositivo, construído na forma de um metamaterial macio, a equipe conseguiu concentrar vibrações mecânicas por um fator de até 4.000 vezes (eficiência máxima a 1930 Hz), o que é quase 100 vezes mais do que qualquer experimento já realizado.

O material macio e flexível, com tamanhos práticos entre 1 centímetro e 1 metro, cobriu uma ampla faixa de frequências de (100 Hz a 10 kHz), que são emitidas por muitas fontes de vibração, incluindo eletrodomésticos, fábricas e sistemas de transporte, por exemplo.

"Nosso estudo estabelece as bases para a plena utilização da energia de vibração que é amplamente distribuída na natureza e fornece uma maneira promissora de melhorar a detecção de vibrações na indústria, reduzir o consumo de energia tradicional, carregar dispositivos que funcionam por longos períodos na Internet das Coisas ou veículos de detecção não-tripulados e, como resultado, construir um mundo mais verde," escreveu a equipe.

O protótipo apresentou um rendimento próximo ao do ideal teórico.
[Imagem: Hanchuan Tang et al. - 10.1093/nsr/nwab133]

Buracos negros acústicos

Um buraco negro acústico é uma estrutura em forma de cunha - com espessura decrescente - obedecendo ao perfil da lei de potência (y = ax^k).

Teoricamente, a velocidade de grupo das ondas elásticas que entram na estrutura será reduzida a zero conforme essas ondas se propagam rumo à extremidade do dispositivo, o que lhe valeu o nome de buraco negro acústico. Ao mesmo tempo, a amplitude do deslocamento vertical se tornará infinita, resultando em não-reflexão e em extrema concentração de energia das ondas na extremidade.

No entanto, isso é virtualmente impossível de se obter na prática devido a limitações na fabricação da estrutura, enfraquecendo muito o desempenho do buraco negro acústico e resultando em grandes coeficientes de reflexão (entre 50% e 70%). Além disso, a estrutura rígida e irregular dos dispositivos reduz a resistência total, exigindo proteções extras na ponta da cunha.

Esses problemas foram largamente solucionados usando o que a equipe chama de metamaterial elástico hiperuniforme, projetado organizando hastes de aço em uma matriz de polímero macio de acordo com uma distribuição de desordem especial chamada hiperuniformidade desordenada, que já foi explorada para guiar a luz em qualquer direção. A interface de reflexão interna obtida no protótipo se aproxima daquela prevista para um buraco negro acústico teórico perfeito.

"Além disso, o metamaterial elástico hiperuniforme torna o perfil da lei de potência uma borda interna, em vez de externa, no caso do buraco negro acústico, permitindo que o metamaterial tenha uma forma externa arbitrária (por exemplo, um retângulo com melhor estabilidade estrutural, em vez de uma cunha com uma ponta frágil). Além disso, nosso método fornece uma plataforma para integrar estruturas mais funcionais, como guias de ondas e metamateriais graduados," escreveu a equipe.

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