Biomimética: eficiência energética ensinada pela Natureza

Energia e vida são palavras indissociáveis. Ao longo dos últimos 3.8 bilhões de anos, desde quando os primeiros seres vivos começaram a aparecer na Terra, o sucesso evolutivo sempre esteve (direta ou indiretamente) relacionado com a eficiência energética.

Estudos indicam que ao menos 95% das espécies que já existiram no planeta desapareceram. As que conseguiram evoluir, mesmo diante de episódios de extinção em massa (como quedas de asteroides ou grandes erupções vulcânicas), só o fizeram por terem a capacidade de otimizar o gasto energético em situações de escassez extrema.

Nas últimas décadas, a Biomimética tem estudado com bastante profundidade como algumas dessas espécies conseguem produzir e gerenciar a energia de que necessitam para manter suas atividades vitais. A partir disso, engenheiros do mundo todo estão desenvolvendo novas tecnologias que irão atender ainda mais a demanda por fontes limpas e mais eficientes.

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E, ao que tudo indica — diante do crescimento populacional esperado nos próximos anos e da consequente escassez de recursos — a eficiência energética pode, mais uma vez, ser um divisor de águas para nosso sucesso evolutivo.

Da água para o ar: usinas eólicas inspiradas em cardumes

O setor de energia passa por um momento de grandes mudanças. As tendências (cada vez mais concretas) partem para um novo padrão de produção e consumo, focado em fontes renováveis, investimentos na digitalização e inteligência de redes de média e baixa tensão, mobilidade elétrica, automação e gerenciamento remoto de redes de distribuição, além de novas tecnologias de armazenamento.

eficiência energética: usinas eólicas e cardumes
Modelo de rotação vertical com inspiração nos cardumes

No Brasil, a energia eólica já está consolidada nesse sentido. A energia dos ventos, hoje, abastece cerca de 22 milhões de residências por mês, com aproximadamente 14,5 GW de capacidade instalada (em 2011, era menos de 1 GW). São mais de 7.000 aerogeradores e 565 parques eólicos no país, 85% deles na região nordeste. Dados recentes da Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica) indicam que, em 2019, a energia produzida a partir da força dos ventos deve alcançar a segunda posição entre as fontes brasileiras, ficando atrás somente da hidrelétrica.

Mas esse cenário — já bastante promissor para a descarbonização das redes — pode ficar ainda melhor. É o que defende o professor de Bioengenharia, John Dabiri, da Universidade de Stanford. Com uso de metodologias da Biomimética, Dabiri tem observado os padrões de comportamento dos cardumes de peixes para desenvolver um novo desenho de parques eólicos, com eixo de rotação vertical.

Por regra, as pás das turbinas tradicionais são projetadas para girar no eixo horizontal, sempre com ângulos retos em direção ao vento. Mas para que essa arquitetura opere com máxima eficiência, cada turbina precisa oscilar com uma certa distância em relação às outras, caso contrário o padrão de fluxo do ar poderia comprometer a operação do parque como um tudo. E para isso, claro, é necessário ocupar extensas faixas de terra (as fazendas eólicas), que comportem todas as turbinas com o devido espaçamento.

Segundo o professor Dabiri, as usinas eólicas de eixo vertical seriam mais eficientes e ainda ocupariam menos espaço para instalação. Ao observar o deslocamento de grandes cardumes, ele defende que existem semelhanças reveladoras entre a movimentação na água e os ventos que percorrem os campos eólicos.

Isso porque o padrão de fluxo desempenhado pelos cardumes auxilia cada peixe individualmente, de tal forma que eles conseguem se orientar espacialmente com mais acuracidade e ganhar velocidade de natação sem tanto gasto de energia. Afinal, sob efeito de menor arraste, a água desempenha menos resistência ao movimento.

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De forma análoga, a arquitetura de pás verticais também criaria um movimento ordenado, capaz de diminuir a resistência do ar sobre as turbinas. Com isso, elas poderiam rotar com mais eficiência, ao mesmo tempo em que estariam expostas um menor desgaste e, consequentemente, manutenções menos frequentes e custosas.

LED e vaga-lumes: uma combinação com 90% de eficiência energética

Segundo Shizhuo Yin, professor de Engenharia Elétrica na Penn State, a eficiência global das lâmpadas LED é hoje de aproximadamente 50%. Embora elas sejam fundamentais para otimizar o consumo de energia, Shizhuo acredita que é possível ir ainda mais longe.

eficiência energética: vaga-lumes e LED
Estrutura assimétrica em 3D emula estrutura de vaga-lumes. Fonte: Penn State

Sua linha de pesquisa concluiu que tanto as lâmpadas LED quanto os vaga-lumes apresentam um desafio em comum: diminuir a parcela de luz que é refletida na direção oposta ao que se pretende iluminar, e acaba se perdendo.

As lâmpadas LED apresentam um padrão de textura em sua superfície, vinda de microestruturas, que propicia refletir ainda mais luz. Essas projeções costumam ser simétricas, com inclinações idênticas para cada lado.

Ao observar as “lanternas” dos vaga-lumes, Shizhuo também encontrou algo semelhante a essas microestruturas, mas com a importante diferença de elas serem assimétricas, montadas em ângulos diversos. Esse sutil achado foi o grande motivador que levou a equipe de pesquisa a desenvolver um novo padrão de lâmpada, a partir de micro-pirâmides assimétricas que emulassem a estrutura dos vaga-lumes.

Como resultado, chegou-se a um modelo com mais de 90% de eficiência na extração de luz! A comprovação dos resultados ocorreu tanto por simulações em computador, quanto fisicamente, através de nanotecnologia.

Essa descoberta é extremamente relevante, sobretudo em razão da demanda crescente por energia limpa que percorre o mundo. Projeções indicam que só o mercado de iluminação com LED deve alcançar US$ 85 bilhões até 2024. Os resultados mostraram-se ainda mais interessantes depois de ter sido comprovado que a mudança microestrutural nas lâmpadas além de aumentar a eficiência energética é também plenamente viável em termos econômicos. Ao que tudo indica, em breve nossas ruas serão iluminadas com a mesma tecnologia que os vaga-lumes, há milhares de anos, já utilizam com bastante sucesso.

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