Colheita de energia fica comercialmente viável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/11/2014

O processo de "pulverização catódica reativa magnetrônica" agora deverá ser miniaturizado para viabilizar a fabricação industrial dos nanogeradores.
[Imagem: Fraunhofer FEP]

Autogeradores

A colheita de energia é uma das abordagens mais promissoras para alimentar equipamentos eletroeletrônicos à medida que a miniaturização permite que eles consumam quantidades cada vez menores de eletricidade.

A produção local de energia elimina a necessidade de uso e constante substituição de baterias, podendo ser feita através de células solares, de materiais termoelétricos - aproveitando calor residual - ou por materiais piezoelétricos - aproveitando vibrações do ambiente.

Os materiais piezoelétricos têm sido os preferidos na construção dos chamados nanogeradores, que podem ser usados em locais onde existam vibrações, como em equipamentos industriais, motores ou até mesmo no corpo humano, onde a pressão arterial, a respiração ou os batimentos cardíacos estão constantemente criando momento.

O material piezoelétrico preferido tem sido o compósito de chumbo-titânio-zircônio (PZT). O nitreto de alumínio (AlN) é outra opção. Em comparação com o PZT, o AlN possui propriedades mecânicas melhores, é livre de chumbo, é mais estável e biocompatível. Além disso, é fácil integrar camadas de nitreto de alumínio nos processos de fabricação convencionais da microeletrônica, permitindo que o gerador de energia seja fabricado juntamente com o equipamento.

Nem pequeno demais, nem grande demais

Mas havia um dilema: para integrar materiais piezoelétricos em dispositivos cada vez menores, esses materiais também têm que ter as menores dimensões possíveis. Por outro lado, eles precisam de um certo volume a fim de produzir energia suficiente.

Até agora, era impraticável fabricar esses materiais de uma forma que fosse economicamente viável - as taxas de deposição, homogeneidade e áreas de revestimento eram muito pequenas.

O joelho pode ser um gerador de energia eficiente, recarregando seu celular enquanto você caminha.
[Imagem: Pozzi et al./SMS]

O desafio foi vencido por uma equipe do Instituto Fraunhofer de Eletrônica Orgânica (FEP), na Alemanha.

Eles desenvolveram um processo pelo qual é possível precipitar camadas altamente homogêneas do material piezoelétrico em diâmetros de até 20 centímetros com altas taxas de deposição. Assim, o processo é substancialmente mais produtivo e rentável do que os processos anteriores.

Pulverização catódica

O processo de deposição das camadas piezoelétricas foi chamado de "pulverização catódica reativa magnetrônica" (reactive magnetron sputtering).

Neste procedimento físico, os átomos de corpos sólidos são descarregados para a fase gasosa bombardeando o material com íons de gases nobres altamente energéticos. O material em fase gasosa então se deposita sobre a pastilha-alvo na forma de um revestimento, uma camada muito fina.

Usando alumínio-escândio-nitreto, a equipe conseguiu revestimentos que produzem de três a quatro vezes mais energia do que as camadas apenas de AlN.

O objetivo agora é reduzir o tamanho do equipamento e elevar ainda mais a capacidade produtiva, de forma a viabilizar industrialmente a integração dos nanogeradores com os equipamentos eletrônicos que eles devem alimentar.