Como a Biomimética pode aumentar a vida útil dos dispositivos de IoT?

Quando falamos em dispositivos de IoT, um dos fatores cruciais para garantir sua performance é a oferta de energia. O mercado hoje conta com baterias capazes de nutrir os devices por até 10 anos, sem a necessidade de recargas e substituições constantes.

É sabido que quanto maior a eficiência energética dos sistemas de IoT, maior a vida útil das baterias e, portanto, menores são os custos de manutenção. Com base nessa premissa, uma recente pesquisa idealizada pelo professor-doutor Bao-Lian Su desenvolveu um material sintético que emula a porosidade dos tecidos presentes nas folhas das plantas e nos espiráculos dos insetos (estruturas responsáveis pelas trocas gasosas).

Espiráculos
Espiráculos: pequenos poros na estrutura dos insetos que permitem trocas gasosas

Essa inovação biomimética promete fomentar o desenvolvimento de materiais e sistemas 20 vezes mais eficientes no que se refere a baterias recarregáveis, fotocatálise e sensores para gases. E, dessa maneira, pode revolucionar a vida útil dos dispositivos de IoT, expandindo projetos para regiões ainda mais remotas, onde a manutenção recorrente seria praticamente impossível.

Uma ideia que pode elevar a vida útil dos dispositivos de IoT

O ponto de partida para o desenvolvimento do material sintético de Bao foi a Lei de Murray. É ela que descreve o modo como a Natureza distribui fluidos (líquidos e gases) do modo mais eficiente possível.

Não importa se estamos falando das raízes e caules das plantas, dos pulmões dos mamíferos ou mesmo dos espiráculos dos insetos, a lei sempre é válida quando se pretende transportar fluidos com a menor resistência possível, garantindo o menor “custo” aos sistemas.

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Entretanto, para seguir as diretrizes de Murray, é preciso construir sistemas porosos sintéticos que se aproximem da perfeita complexidade das formatações biológicas, tarefa bastante complexa de ser desempenhada com sucesso. Não para o time de Bao…

A equipe desenvolveu um esquema multinível de estruturas, com base em nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) que, em conjunto, compuseram blocos tridimensionais e organizados compostos por nano, meso e macroporos. A formatação da rede seguiu um ordenamento com base no diâmetro desses poros, algo fundamental para garantir a fluidez dos materiais transportados com a menor resistência possível, tal como acontece nas plantas e em outras estruturas vivas.

Segundo Bao, esse novo padrão de rede pode ser aplicado à uma série de funcionalidades que utiliza estruturas porosas, sobretudo em materiais cerâmicos e nanometais.

Baterias de Lítio: vida útil estendida com Biomimética

A extensão da vida útil de baterias recarregáveis de Lítio está entre as conquistas mais importantes que esse novo material pode trazer à indústria, com amplo espectro de utilização. Entre eles, aumentar a eficiência dos dispositivos de IoT.

O apelidado ZOMM (ZnO Murray Materials) — e sua estrutura multinível — apresentou um ciclo de vida útil na ordem dos 5.000, com uma capacidade de reversibilidade até 40 vezes maior que os materiais de ZnO macroporoso e 25 vezes maior que os de grafite mais modernos disponíveis no mercado atualmente.

Além disso, quando se usou o ZOMM como ânodo, alcançou-se uma formatação de bateria com capacidade ultraelevada e ciclos de longa duração muito mais estáveis do que os padrões hoje utilizados. Isso, claro, é um grande passo para resolver os inúmeros desafios acerca do crescimento exponencial no uso de energia em todo o mundo e especialmente para diminuir a pegada ambiental, através de processos cíclicos mais duradouros e sustentáveis.

Apenas para colocar em números, um recente estudo comandado por Anders S.G. Andrae, da Huawei, mostrou quese não houver avanços significativos em eficiência energética, as indústrias de Tecnologia da Informação & Comunicação (TIC) poderiam consumir 20% de toda a eletricidade do mundo, até 2025, e serem responsáveis por até 5,5% das emissões de carbono.

benefícios da IoT
Fonte: “Total Consumer Power Consumption Forecast”, Anders S.G. Andrae

Fotocatálise 17 vezes mais eficiente

A fotocatálise utiliza a luz para acelerar reações químicas baseadas na ação de nano-semicondutores dispersos. Amplamente aplicado na indústria, esse processo tem sido fundamental para a degradação orgânica de poluentes prejudiciais ao meio ambiente.

Bao e sua equipe perceberam que a estrutura 3D bio-inspirada na Lei de Murray poderia ter uma importante aplicação na fotocatálise. Isso porque a capacidade fotocatalítica do ZOMM é ao menos 17 vezes maior que a dos nanomateriais de ZnO dispersos, comumente usados nesse tipo de processo.

Além disso, o filme composto pela tecnologia ZOMM pode ser utilizado por diversos ciclos de catálise, sem alterar sua estrutura e funcionalidade. Isso torna o processo menos custoso e mais sustentável.

Sensoriamento de gases 20 vezes mais sensível

Sensores de gás são amplamente utilizados em diversos tipos de indústria, especialmente para fortalecer os padrões de segurança dos processos produtivos. Eles também podem integrar dispositivos de IoT inteligentes que disparam alarmes caso a concentração de alguma substância tóxica aumente no ar.

A estrutura vascularizada e porosa do ZOMM provou ser altamente eficiente para aumentar a superfície de absorção do oxigênio (tal como no sistema respiratório dos seres vivos) e ainda capaz de acelerar a difusão de outras moléculas gasosas.

Quando foram realizados testes específicos com o vapor de etanol, o ZOMM alcançou um padrão de sensibilidade na ordem dos 457, uma valor nunca reportado por nenhum experimento até então. Esse número é, no mínimo, 20 vezes maior que os sensores mais modernos já disponíveis no mercado.

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A pesquisa com os materiais inspirados na Lei de Murray ainda indicou uma série de outros usos na indústria. A formatação porosa, tridimensional e ordenada provou garantir um elevado grau de reatividade e uma baixa resistência no transporte molecular, características importantes para aumentar exponencialmente a eficiência de uma vasta gama de processos e sistemas.

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