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 como algumas dessas espécies conseguem produzir e gerenciar a energia de que necessitam para manter suas atividades vitais. A partir disso, engenheiros e cientistas estão desenvolvendo novas tecnologias que irão atender ainda mais a demanda por fontes limpas e mais eficientes.
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 iniciativas dirigem-se 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.
No Brasil, a energia eólica se posiciona como a segunda maior fonte energética, com crescimento de 14,7% em 2019. Atualmente, a energia dos ventos representa cerca de 8,6% da matriz energética do país, atingindo a marca de 15,1GW da capacidade instalada. São mais de 7 mil aerogeradores espalhados em 601 parques eólicos, reduzindo até 28.000.000 toneladas de CO2 emitidos por ano.
Para melhorar ainda mais a eficiência energética das usinas eólicas, o professor de Bioengenharia, John Dabiri, da Universidade de Stanford, está desenvolvendo um novo modelo de turbinas com eixo de rotação vertical. E o mais interessante é que ele se baseou no comportamento de natação dos cardumes de peixes para iniciar o projeto.
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. Nessa formatação, é necessário ocupar extensas faixas de terra (as fazendas eólicas), capazes de abrigar todas as turbinas com o devido espaçamento.
Segundo defende 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 afirma 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 das 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 a um menor desgaste e, consequentemente, demandariam manutenções menos frequentes e custosas.
LED e vaga-lumes: uma combinação com 90% de eficiência energética
Na faculdade de Engenharia Elétrica da Penn State University, uma outra linha de pesquisa biomimética também está focada na eficiência energética. Mas, nesse caso, o professor Shizhuo Yin pretende desenvolver um modelo de lâmpadas LED ainda mais eficiente com base no comportamento dos vaga-lumes.
A premissa do estudo parte de um desafio comum enfrentado por esses insetos e as lâmpadas LED: ambos perdem uma parcela da luz que emitem.
As lâmpadas LED apresentam um padrão de textura, formada por microestruturas, que eleva o grau de reflexão da luz. Essas pequenas projeções são plenamente simétricas e estão dispostas com inclinações idênticas para cada direção.
Ao analisar a anatomia dos vaga-lumes, o professor Shizhuo encontrou algo semelhante à formatação das LED, mas com a importante diferença de que, no caso desses animais, elas são assimétricas, dispostas em ângulos diversos, o que garante mais eficiência no direcionamento da luminosidade.
Foi então que, a partir desse sutil achado, o professor Shizhuo teve a ideia de desenvolver um novo padrão de lâmpada, mas dessa vez 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 tecnologia atual de LED atinge apenas 50%). A comprovação dos resultados deu-se tanto por simulações em computador, quanto fisicamente, através de nanotecnologia.
Biomimética: a nova geração de tecnologias “inspired by nature”
Essa descoberta é extremamente relevante, sobretudo em razão da demanda crescente por energia limpa que percorre o mundo. Projeções indicam que 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.