Jennifer Chu | MIT News
Uma fonte sustentável de energia limpa pode estar nas latas de refrigerante antigas e na água do mar.
Engenheiros do MIT descobriram que, quando o alumínio das latas de refrigerante é exposto em sua forma pura e misturado com água do mar, a solução borbulha e produz naturalmente hidrogênio — um gás que pode ser usado posteriormente para alimentar um motor ou célula de combustível sem gerar emissões de carbono. Além disso, essa reação simples pode ser acelerada com a adição de um estimulante comum: a cafeína.
Em um estudo publicado na revista Cell Reports Physical Science, os pesquisadores mostram que podem produzir gás hidrogênio colocando pellets de alumínio pré-tratados, do tamanho de seixos, em um béquer com água do mar filtrada. O alumínio é pré-tratado com uma liga de metal raro que efetivamente transforma o alumínio em uma forma pura que pode reagir com a água do mar para gerar hidrogênio. Os íons de sal na água do mar podem, por sua vez, atrair e recuperar a liga, que pode ser reutilizada para gerar mais hidrogênio, em um ciclo sustentável.
A equipe descobriu que essa reação entre alumínio e água do mar produz hidrogênio com sucesso, embora de forma lenta. Por acaso, adicionaram alguns resíduos de café à mistura e, para sua surpresa, notaram que a reação acelerou.
No final, a equipe descobriu que uma baixa concentração de imidazol — um ingrediente ativo da cafeína — é suficiente para acelerar significativamente a reação, produzindo a mesma quantidade de hidrogênio em apenas cinco minutos, em comparação com duas horas sem o estimulante adicionado.
Os pesquisadores estão desenvolvendo um pequeno reator que poderia funcionar em um navio marítimo ou veículo subaquático. O navio teria um suprimento de pellets de alumínio (reciclados de latas de refrigerante antigas e outros produtos de alumínio), juntamente com uma pequena quantidade de gálio-índio e cafeína. Esses ingredientes poderiam ser periodicamente direcionados para o reator, junto com um pouco da água do mar circundante, para produzir hidrogênio sob demanda. O hidrogênio poderia então alimentar um motor a bordo para acionar um motor ou gerar eletricidade para alimentar o navio.
“Isso é muito interessante para aplicações marítimas, como barcos ou veículos subaquáticos, porque não seria necessário transportar água do mar — ela está prontamente disponível”, diz Aly Kombargi, principal autor do estudo e estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Também não precisamos carregar um tanque de hidrogênio. Em vez disso, transportaríamos alumínio como o ‘combustível’ e apenas adicionaríamos água para produzir o hidrogênio que precisamos.”
Os coautores do estudo incluem Enoch Ellis, um estudante de graduação em engenharia química; Peter Godart, PhD ’21, que fundou uma empresa para reciclar alumínio como fonte de combustível de hidrogênio; e Douglas Hart, professor de engenharia mecânica do MIT.
Escudos levantados
A equipe do MIT, liderada por Hart, está desenvolvendo métodos eficientes e sustentáveis para produzir gás hidrogênio, visto como uma fonte de energia “verde” que poderia alimentar motores e células de combustível sem gerar emissões que aquecem o clima.
Uma desvantagem de abastecer veículos com hidrogênio é que alguns projetos exigiriam que o gás fosse transportado a bordo, como a gasolina tradicional em um tanque — uma configuração arriscada, dado o potencial volátil do hidrogênio. Hart e sua equipe, em vez disso, procuraram maneiras de alimentar veículos com hidrogênio sem ter que transportar constantemente o próprio gás.
Eles encontraram uma possível solução no alumínio — um material naturalmente abundante e estável que, ao entrar em contato com a água, passa por uma reação química simples que gera hidrogênio e calor.
No entanto, a reação vem com uma espécie de dilema: enquanto o alumínio pode gerar hidrogênio quando misturado com água, ele só pode fazer isso em um estado puro e exposto. No instante em que o alumínio entra em contato com o oxigênio, como no ar, a superfície forma imediatamente uma camada fina, semelhante a um escudo, de óxido que impede reações posteriores. Esta barreira é a razão pela qual o hidrogênio não borbulha imediatamente quando você coloca uma lata de refrigerante na água.
Em trabalhos anteriores, usando água doce, a equipe descobriu que podia perfurar o escudo de alumínio e manter a reação com a água em andamento pré-tratando o alumínio com uma pequena quantidade de liga de metal raro feita de uma concentração específica de gálio e índio. A liga serve como um “ativador”, limpando qualquer acúmulo de óxido e criando uma superfície de alumínio pura que está livre para reagir com a água. Quando eles realizaram a reação em água doce desionizada, descobriram que um pellet de alumínio pré-tratado produziu 400 mililitros de hidrogênio em apenas cinco minutos. Eles estimam que apenas 1 grama de pellets geraria 1,3 litros de hidrogênio no mesmo período.
Mas para escalar ainda mais o sistema seria necessário um suprimento significativo de gálio-índio, que é relativamente caro e raro.
“Para que essa ideia seja econômica e sustentável, tivemos que trabalhar na recuperação dessa liga após a reação,” diz Kombargi.
À beira-mar
No novo trabalho da equipe, eles descobriram que poderiam recuperar e reutilizar o gálio-índio usando uma solução de íons. Os íons — átomos ou moléculas com carga elétrica — protegem a liga metálica de reagir com a água e ajudam a precipitar em uma forma que pode ser retirada e reutilizada.
“Por sorte, a água do mar é uma solução iônica que é muito barata e disponível,” diz Kombargi, que testou a ideia com água do mar de uma praia próxima. “Eu literalmente fui à Revere Beach com um amigo, pegamos nossas garrafas e as enchemos, depois filtrei algas e areia, adicionei alumínio e funcionou com os mesmos resultados consistentes.”
Ele descobriu que o hidrogênio realmente borbulhava quando adicionava alumínio a um béquer de água do mar filtrada. E conseguiu retirar o gálio-índio depois. Mas a reação ocorreu muito mais lentamente do que na água doce. Acontece que os íons na água do mar agem para proteger o gálio-índio, de modo que ele pode se agrupar e ser recuperado após a reação. Mas os íons têm um efeito similar no alumínio, formando uma barreira que desacelera sua reação com a água.
Enquanto procuravam maneiras de acelerar a reação na água do mar, os pesquisadores experimentaram vários ingredientes não convencionais.
“Estávamos apenas experimentando coisas na cozinha e descobrimos que, quando adicionamos resíduos de café à água do mar e depois colocamos pellets de alumínio, a reação foi bastante rápida em comparação com a água do mar sozinha,” diz Kombargi.
Para entender o que poderia explicar a aceleração da reação, a equipe consultou colegas do departamento de química do MIT, que sugeriram experimentar o imidazol — um ingrediente ativo da cafeína, cuja estrutura molecular pode penetrar o alumínio (permitindo que o material continue reagindo com a água), enquanto mantém intacta a proteção iônica do gálio-índio.
“Essa foi a nossa grande conquista,” diz Kombargi. “Tínhamos tudo o que queríamos: recuperar o gálio-índio e a reação rápida e eficiente.”
Os pesquisadores acreditam que têm os ingredientes essenciais para operar um reator de hidrogênio sustentável. Eles planejam testá-lo primeiro em veículos marítimos e subaquáticos. Eles calcularam que um reator desse tipo, contendo cerca de 40 libras de pellets de alumínio, poderia alimentar um pequeno planador subaquático por cerca de 30 dias, ao bombear água do mar ao redor e gerar hidrogênio para alimentar um motor.
“Estamos mostrando uma nova maneira de produzir combustível de hidrogênio, sem precisar transportar hidrogênio, mas transportando alumínio como o ‘combustível’,” diz Kombargi. “O próximo passo é descobrir como usar isso para caminhões, trens e talvez aviões. Talvez, em vez de ter que transportar água também, possamos extrair água da umidade ambiente para produzir hidrogênio. Isso é algo para o futuro.”
Reproduzido com permissão do MIT News.
