A estrada eléctrica

Aspecto das estradas de paineis solares

Ouve-se falar neste assunto há já algum tempo. Há uns meses um amigo, o Alberto, falou-me de uma ideia que tinha tido em relação a estradas com painéis solares, aproveitando a superfície, bastante grande e (quase) sempre perfeitamente descoberta e recebendo raios solares, e como tinha ele pensado que se poderiam fazer viáveis, e inclusive um pequeno diagrama incluindo conceitos de magnetismo para recarregar carros eléctricos em andamento. Tudo isto obviamente em conversa informal, discutindo alguns dos aspectos e passando um bom bocado.

Alguns meses depois, vejo esta noticia da que agora falo, e acho engraçada a semelhança. Isso sim, neste caso é um projecto sério e em andamento. Claramente, o que faz falta para evoluir é, fundamentalmente, ideias.


E a noticia, lida na BBC, y reproduzida também no iOnLine e outros lugares, é a seguinte: Há uma empresa nos Estados Unidos, Solar Roadways, que apresentou um projecto para construir estradas com painéis solares de 4 x 4 metros. Estes painéis, para além de obter a energia solar, teriam ainda integrados LEDs para visualizar sinalização horizontal na estrada, ou os riscos separadores, assim como um sistema de aquecimento que faria com que a própria estrada derretesse a neve e o gelo no inverno. Ainda, evidentemente, não se utilizaria o betume para as estradas, sendo este um derivado do petróleo muito contaminante.


Cada painel teria a capacidade de produzir 7,6 quilovátios / dia, o que vem a supor que se fossem implementados em todo o país, a electricidade gerada seria 3 vezes superior ao consumo total dos Estados Unidos (e bastante próxima ao consumo mundial total). O problema, como sempre, é o custo: cada painel actualmente vai custar uns 10.000 dólares, e para cobrir as estradas dos Estados Unidos iam fazer falta uns 5.000 milhões de painéis, logo, façam a conta.


Mas o director do projecto acha que, apesar do elevadíssimo custo inicial, a rentabilidade está assegurada a longo prazo, pelo que o considera viável. E 
o Departamento de Transporte dos Estados Unidos realizou um contrato com esta empresa atribuindo-lhe  100.000 dólares para que continue a desenvolver o protótipo do painel solar, que deve ser resistente à circulação de veículos, pelo que parece que a empresa demonstra credibilidade suficiente. Segundo a empresa responsável, a primeira fábrica produtora destes painéis entrará em funcionamento de aqui a 2 anos, e produzirá painéis que serão instalados em estacionamentos, numa primeira fase, de forma experimental.

Fotossíntese artificial: conversão de luz em combustível

Esquema simplificado da fotossíntese nas plantas

A fotossíntese é a base da vida tal como a conhecemos, o nível mais baixo da cadeia trófica. Se bem que não na sua totalidade (há alternativas residuais), sim na sua grande maioria. E a ideia é simples: aproveitar a energia da luz solar convertendo-a em energia química, que depois poderá ser utilizada pelo organismo para todo o seu ciclo vital.

É uma ideia simples, mas que não soubemos copiar eficientemente. Pelo menos até agora. Os científicos tentam desde há muito tempo desenvolver uma versão artificial da fotossíntese que possa utilizar-se, por exemplo, para produzir combustíveis líquidos a partir do dióxido de carbono e da água.

Heinz Frei, químico da Divisão de Biociências Físicas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (o Berkeley Lab), conduziu recentemente uma investigação, com a colaboração do seu colega de post-doutoramento Feng Jiao, na que descobriram uns cristais de óxido de cobalto de nanómetros de tamanho que podem desenvolver eficazmente una parte crítica da reacção fotossintética: separar nos seus componentes (oxigeno, protões e electrões, sendo que estes últimos são as partes do hidrogeno) as moléculas de água.

A fotossíntese artificial para a produção de combustíveis líquidos oferece a promessa de uma fonte renovável, e neutra em carbono, de energia transportável (com a importância deste aspecto, tal como já foi explicado nesta notícia). O facto de ser neutra em carbono significa que não se esgotaria nem contribuiria ao aquecimento global, uma vez que a oxidação do combustível emitiria tanto carbono (na realidade, o mesmo) como o que tinha sido previamente fixado na fotossíntese artificial, não como quando queimamos petróleo ou carvão agora, que não são provenientes de CO2 atmosférico fixado imediatamente antes.

A ideia é simular, e se fosse possível melhorar, o processo que utilizam as plantas verdes e certas bactérias, recorrendo à estratégia de integrar numa só plataforma sistemas que possam capturar os fotões solares e sistemas catalizadores que possam oxidar a água. Uma vez obtidos os protões e os electrões, não apresenta tantos inconvenientes o investimento da sua energia química associada na conversão de CO2 em hidrocarbonetos (metanol, como se vê na figura).

Para levar a termo eficazmente esta oxidação da água mediante a energia dos fotões (foto-oxidação) eficazmente precisa-se um catalizador que seja eficaz no uso dos fotões solares e ainda o suficientemente rápido para seguir o ritmo imposto pelo fluxo de fotões (utiliza-los ao ritmo que o Sol os envia, por dizer de alguma maneira), com a finalidade de não desperdiçar esses fotões. Os cachos de nanocristais de óxido de cobalto são suficientemente eficazes e rápidos, e também robustos (duram muito tempo), muito abundantes na terra e baratos.

Frei e Jiao vão desenvolver estudos adicionais para conhecer melhor o porquê de os cachos de nanocristais de óxido de cobalto serem foto-catalizadores eficazes e de alta velocidade, e vão tentar encontrar também outros catalizadores eficazes, mas, de todas as maneiras, como diz Frei: achamos que temos um componente catalítico promissor para o desenvolvimento de um sistema integrado de conversão solar de combustível.

Neste vídeo da LBNL pode-se observar uma solução de água com este catalizador sobre a que incide um laser, fazendo que o líquido fique azul e pouco depois emita o oxigeno gasoso proveniente da oxidação da água:

Informação adicional em LBNL

Micróbios para armazenar energia

Archeobacterias Methanospirillum, um dos tipos que mais metano produz

As energias renováveis, produtoras de electricidade, enfrentam um problema que tende a agravar-se com a sua expansão: nos períodos de menor demanda, se não se consome toda a electricidade produzida, a mesma não pode ser armazenada.

Uma equipa de engenheiros da Universidade do Estado de Pensilvânia (Penn State), nos Estados Unidos, descobriu uns micróbios do reino Archaea que a partir de dióxido de carbono e água podem produzir metano, através da adição de electricidade, e sem emissão de hidrogeno, obtendo assim uma fonte de hidrocarbonetos portátil, e teoricamente neutra em relação à fixação ou emissão de carbono.

Os microrganismos metanogénicos produzem metano em lixeiras e zonas pantanosas, mas os científicos pensavam que estes organismos convertiam materiais orgânicos, como o acetato, em metano, emitindo também hidrogeno. No entanto, estes investigadores, ao tentar produzir hidrogeno nas células por electrólise microbiana, encontraram uma produção de metano muito superior ao esperado.

Toda a geração de metano que ocorre na natureza, e que assumimos que se produz em conjunto com emissão de hidrogeno, pode ser que não seja processada assim, disse Bruce E. Logan, professor de engenharia ambiental da Penn State. Realmente encontramos muito pouco hidrogeno em fase gasosa na natureza. Talvez assumimos que o hidrogeno estava a ser sintetizado, quando não era assim.

Logan, em colaboração com Shaoan Cheng, investigador associado, Defeng Xing, investigador de posdoutoramento, e Douglas F. Call, estudante de posgraduação de engenharia ambiental, confirmaram que os organismos microscópicos produziram o metano. Os investigadores criaram uma célula de duas câmaras com um ânodo submerso na água num lado da câmara e um cátodo na água, e nutrientes inorgânicos e dióxido de carbono no outro lado da câmara. Aplicaram uma tensão, mas só durante um minuto. Depois recobriram o cátodo com um filme biológico de Archaea, os microrganismos objecto de estudo, e não só houve fluxo de corrente no circuito, mas também as células produziram metano.

A única maneira de chegar a ter corrente com a voltagem utilizada é que os micróbios estejam directamente a aceitar electrões, disse Logan. E assinala também que a reacção electroquímica se desenvolve sem nenhum tipo de catalizadores e com um nível de energia menor do que o necessário para a conversão de dióxido de carbono em metano utilizando métodos convencionais, não biológicos.

Estas células obtêm uma eficiência do 80 por cento na passagem de electricidade a metano, e como utilizam dióxido de carbono como matéria prima, o processo viria a ser neutro em relação ao carbono se a electricidade provêm de uma fonte diferente dos hidrocarbonetos, como a solar ou a eólica.

O processo não sequestra carbono, mas transforma o dióxido de carbono em combustível, disse Logan. Se o metano se queima e o dióxido de carbono é capturado, então o processo pode ser neutro em relação à fixação ou emissão de carbono.

Logan sugere para os casos de excesso de electricidade pontual (nos momentos de menor demanda) o método de captura em um combustível transportável. E considera que o metano é preferível ao hidrogeno, porque uma grande parte das infra-estruturas actuais de gestão de hidrocarbonetos poderiam facilmente transporta-lo.

As bactérias como alternativa: energia e contaminação

Cultura bacteriana. Por baixo, culturas em placas de Petri e o ambiente extremo em que vivem algumas bactérias.

Presentes em praticamente todos os habitats da Terra, as bactérias produzem inumeráveis compostos químicos. Algumas sintetizam produtos valiosos para os seres humanos, como biocombustíveis, plásticos e fármacos, em quanto outras decompõem contaminantes atmosféricos. A maior parte delas dependem dos compostos de carbono como fonte de energia, mas não todas: algumas funcionam de maneira totalmente diferente.

Os peritos em metabolismo bacteriano estão a aprender a tirar proveito desses processos, sendo a produção de biocombustíveis uma área de grande interesse. No MIT, a engenheira química Kristala Jones Prather está a desenvolver bactérias que podem produzir combustíveis como o butanol e pentanol (álcoois com 4 e 5 átomos de carbono) a partir de subprodutos agrícolas, enquanto Gregory Stephanopoulos, professor de engenharia química, está a tentar obter bactérias melhores produtoras de biocombustíveis seguindo a estratégia de melhorar a sua resistência à toxicidade dos materiais que fermentam e das substancias que elas mesmas produzem.

Produzir plásticos e telas empregando bactérias pode consumir muita menos energia do que os processos industriais tradicionais, porque quase todas as reacções químicas industriais requerem elevadas temperaturas e pressões (as quais por sua vez necessitam muita energia para se obter). As bactérias, no entanto, normalmente proliferam a uns 30 graus centígrados, e à pressão atmosférica normal.

Noutra frente, também no MIT, a professora de química Catherine Drennan está a estudar como podem as bactérias degradar compostos como o monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros contaminantes atmosféricos.

As bactérias com as que trabalha Drennan absorvem dióxido ou monóxido de carbono, e os utilizam para produzir energia. Tais micróbios retiram do entorno uma quantidade de monóxido de carbono de mil milhões de toneladas por ano aproximadamente.

Temos aqui uma nova linha de investigações, baseadas nas bactérias, que poderiam solucionar ou paliar tanto os nossos problemas energéticos como os de contaminação.

Não nos convêm esquecer, ainda, que a maioria das espécies de seres vivos, e a maior quantidade de biomassa, e os seres que mais e mais diferentes ecossistemas colonizam (incluídos muitos extremamente agrestes), são bactérias, apesar de serem microscópicas. Bom será não nos esquecermos, para o bom e para o mão, de contar com elas.

Aqui podem ver a revista do MIT com este artigo, em formato PDF (em inglês).