O sonho pode ser um escritório sem papel, mas a realidade é bem diferente. Vastas quantidades de papel são consumidas todos os dias – em escritórios, estabelecimentos de varejo e residências. E embora muito desse papel seja reciclado, infelizmente, grandes quantidades vão para aterros sanitários.
Na maioria dos casos, o papel que vai para o aterro sanitário se decompõe e até beneficia o solo em que está enterrado. O mesmo não pode ser dito das baterias. Milhões acabam em aterros sanitários todos os dias – alguns por ignorância, alguns por preguiça e o restante porque não há alternativa disponível.
Essas baterias contêm alguns dos compostos mais nocivos imagináveis. Chumbo. Cádnio. Mercúrio. Níquel. Eventualmente, o invólucro que contém esses produtos químicos irá quebrar e permitir a lixiviação para o solo ao redor.
Em 2016, estima-se que 1,5 BILHÃO de smartphones foram vendidos. Cada um deles tem uma bateria que terá sorte se durar três anos. Assumindo um tamanho típico de bateria de cerca de 30 cm2, isso soma cerca de 52.735 metros cúbicos de séria preocupação ambiental. E isso é apenas baterias de telefone!
Papel + Bactérias = Bateria
Foto: Seokheun Choi
S De repente, o papel de escritório está virando cabeças. Bem, pelo menos no que diz respeito a eletrônicos e baterias.
O crescimento explosivo de eletrônicos miniaturizados e baterias para alimentar tudo, desde dispositivos de saúde ingeríveis até sensores para transporte inteligente, está impulsionando a inovação na forma como esses dispositivos são projetados e levantando preocupações sobre seu impacto ambiental.
Segundo algumas estimativas, mais de 50 bilhões de dispositivos eletrônicos podem ser implantados nos próximos cinco anos. Muitos terão vida útil curta, e sua rápida obsolescência resultará em um problema de descarte.
A Papertronics oferece aos engenheiros eletrônicos os benefícios de flexibilidade, sustentabilidade, respeito ao meio ambiente e baixo custo
Entra em cena a papertronics, que oferece aos engenheiros eletrônicos os benefícios de flexibilidade, sustentabilidade, respeito ao meio ambiente e baixo custo, além de propriedades mecânicas, dielétricas e fluídicas úteis.
Seokheun Choi, professor associado do departamento de engenharia elétrica e de computação da Universidade Estadual de Nova York em Binghampton, e seus colegas criaram uma bateria descartável feita de papel que depende de bactérias para gerar corrente elétrica e também para devorar a bateria no final de sua vida útil.
Em um artigo publicado no periódico Advanced Sustainable Systems, os autores escrevem que baterias de íons de lítio e supercapacitores oferecem alta densidade de energia, são leves e capazes de serem integrados em substratos flexíveis. Mas eles ressaltam que baterias de íons de lítio também são feitas com materiais não biodegradáveis e frequentemente tóxicos que frequentemente requerem processos de fabricação intensivos em energia e potencialmente prejudiciais ao meio ambiente.
Técnicas alternativas de coleta de energia, como células solares, nanogeradores e geradores termoelétricos, contêm grandes quantidades de metais pesados e polímeros não renováveis e não biodegradáveis.
O bom e velho papel de escritório pode oferecer uma opção mais sustentável, argumenta Choi, quando alguma engenharia sofisticada é aplicada.
Técnicas inovadoras de engenharia podem ser usadas para manipular o diâmetro das fibras de celulose do papel, suavizando a aspereza e controlando a transparência para permitir uma série de aplicações. Combinar papel com entidades orgânicas, inorgânicas e biológicas amplia a gama de possibilidades de engenharia e torna o papel uma plataforma viável para a eletrônica de próxima geração.
O trabalho de Choi se concentra na integração de bactérias no papel, tanto para gerar eletricidade quanto para descartar a bateria
O trabalho de Choi, financiado em parte com uma bolsa de US$ 300.000 da National Science Foundation, foca na integração de bactérias em papel tanto para gerar eletricidade quanto para descartar a bateria. Seu trabalho inicial, relatado pela primeira vez em 2015, criou uma bateria baseada em papel. Seu relatório mais recente, que foi apresentado em 19 de agosto no 256º Encontro e Exposição Nacional da American Chemical Society, descreve como a biobateria pode ser ativada e como sua vida útil pode ser melhorada. Seu relatório também explica como a energia sob demanda pode ser fornecida mesmo em lugares sem eletricidade para alimentar um diodo emissor de luz e uma calculadora elétrica.
No laboratório, a bateria baseada em bactérias usa a respiração para converter a energia bioquímica armazenada na matéria orgânica em energia biológica. O processo envolve uma cascata de reações por meio de um sistema de biomoléculas transportadoras de elétrons que transfere elétrons para um aceptor de elétrons terminal, um ânodo.
Para criar a bateria, a equipe de pesquisa colocou “exoeletrogênios” liofilizados no papel. Eles explicam que os exoeletrogênios são um tipo de bactéria que pode transferir elétrons para fora de suas células. Os elétrons passam pela membrana celular e fazem contato com eletrodos externos para alimentar a bateria.
Para ativar a bateria, os pesquisadores adicionaram água ou saliva, ambos os quais reanimaram as bactérias
Para ativar a bateria, os pesquisadores adicionaram água ou saliva, ambos revivendo as bactérias. No laboratório, a bateria microbiana produziu uma potência máxima de 4 µW/cm2 e uma densidade de corrente de 26 µA/cm2, que Choi diz serem “significativamente maiores” do que as baterias microbianas anteriores baseadas em papel. Mesmo assim, o desempenho de energia é “muito baixo”, limitando sua aplicação, pelo menos por enquanto. Para ser viável para uso comercial, a densidade de energia/corrente deve ser melhorada por um fator de cerca de 1.000, diz Choi.
“A beleza de usar papel como substrato de dispositivo é que você pode simplesmente empilhá-los ou dobrá-los para conexão serial ou paralela”, diz Choi. Técnicas de origami podem ser particularmente úteis.
Como parte de seu trabalho anterior em 2015, Choi criou uma bateria inspirada em origami que se dobra em um quadrado do tamanho de uma caixa de fósforos. Ela usou um cátodo de respiração de ar criado com níquel pulverizado em um lado de um pedaço de papel de escritório. O custo total do dispositivo foi de cinco centavos.
A bateria de papel atualmente tem uma vida útil de cerca de quatro meses. Choi diz que sua mais recente biobateria híbrida de papel-polímero se decompõe prontamente em água.
Choi e seus colegas não estão sozinhos trabalhando em baterias baseadas em papel. Em 2017, uma bateria de fluxo redox biodegradável e sem metal para aplicações portáteis de uso único foi descrita por pesquisadores da Espanha, Canadá e EUA. Depois que sua bateria baseada em celulose operou por 100 minutos, ela foi descartada no solo por microrganismos, semelhante à forma como uma pilha de composto de quintal funciona. Choi diz que uma desvantagem potencial dessa abordagem é que a biodegradabilidade da bateria depende de condições favoráveis de aterro.
Choi está trabalhando em condições para melhorar a sobrevivência e o desempenho das bactérias liofilizadas, permitindo uma vida útil mais longa. Ele também solicitou uma patente para a bateria e está buscando parceiros da indústria para comercialização.
Este artigo foi publicado originalmente no Spectrum IEEE
