Células a combustível viáveis
Usando impressão 3D de materiais cerâmicos, engenheiros dinamarqueses prometem colocar as células a combustíveis de volta nos trilhos rumo às estações da utilização prática e viável, econômica e tecnicamente.
Zhipeng Zhou e colegas da Universidade Técnica da Dinamarca superado um dos desafios mais difíceis da energia sustentável: Tornar as células de combustível leves e potentes – e eles alcançaram um nível suficiente até mesmo para aplicações aeroespaciais.
O avanço envolveu um redesenho radical das chamadas células a combustível de óxidos sólidos (SOFC na sigla em inglês), utilizando impressão 3D e geometria giroide, uma estrutura bastante complexa, mas que é matematicamente otimizada para melhorar a área de superfície em um determinado volume – elas são estruturalmente robustas, possuem grande área de superfície e são muito leves. Estruturas giroides estão presentes na natureza, nas asas das borboletas e nas penas dos pássaros, por exemplo, mas também já têm sido exploradas em dispositivos como trocadores de calor.
Pela primeira vez, os giroides foram usados como base para fabricar dispositivos de conversão eletroquímica, mais especificamente as células de combustível, que convertem diretamente um combustível em eletricidade, sem a necessidade de um gerador mecânico.
“Atualmente, o uso de conversão de energia baseada em eletricidade, como baterias e células de combustível, não faz sentido para aplicações aeroespaciais. Mas nosso novo projeto de célula de combustível muda isso. É o primeiro a demonstrar a relação Watts/grama – ou potência específica – necessária para a indústria aeroespacial, utilizando uma tecnologia sustentável e verde,” disse o professor Venkata Nadimpalli, coordenador da equipe.
Monolito de energia
Para abastecer um avião comercial é necessário encher seus tanques com combustível de aviação. Tente eletrificar um jato comum, substituindo suas 70 toneladas de combustível por baterias de íons de lítio de capacidade semelhante e seu peso salta para 3.500 toneladas – ele não vai conseguir decolar.
As células de combustível atuais também não seriam uma opção. Em sua maioria consistindo de pilhas de células planas e pesadas, que dependem de peças metálicas para vedação e conectividade, elas também pesam demais. Componentes metálicos representam mais de 75% do peso de um sistema de célula de combustível, limitando sua mobilidade e, consequentemente, sua utilidade em sistemas móveis – ainda mais em aviação e no espaço.
A inovação agora foi trocar todo esse suporte metálico por estruturas cerâmicas impressas em 3D seguindo a geometria giroide. A estrutura impressa é conhecida como superfície mínima triplamente periódica (SMTP), que é matematicamente otimizada para alcançar superfície máxima e peso mínimo.
O resultado é o que a equipe chama de “célula de óxido sólido giroidiano monolítica” ou monólito para abreviar, um dispositivo que produz mais de um watt de energia por grama de peso.
Produção de oxigênio em Marte
Além da redução significativa do peso, o novo material cerâmico permite que os gases fluam eficientemente pela célula, melhora a distribuição de calor e aumenta a estabilidade mecânica. Ao mudar para o modo de eletrólise, a equipe demonstrou ser possível produzir hidrogênio a uma taxa quase dez vezes maior do que os projetos convencionais.
“Nós também testamos o sistema em condições extremas, incluindo oscilações de temperatura de 100 °C, e alternamos repetidamente entre os modos de célula de combustível e eletrólise. As células de combustível resistiram de forma impressionante, sem apresentar sinais de falha estrutural ou separação de camadas,” disse Vincenzo Esposito, membro da equipe.
Os pesquisadores explicam que esse tipo de resiliência é vital para missões espaciais como versões de produção do MOXIE, um experimento que demonstrou a viabilidade de produzir oxigênio em Marte a partir do dióxido de carbono da atmosfera do planeta – MOXIE é a sigla em inglês para “Experimento ISRU de Oxigênio em Marte”, sendo ISRU um outro acrônimo, para “Utilização de Recursos Locais”.
Enquanto uma versão de produção do MOXIE pesaria cerca de seis toneladas usando as atuais células a combustível, com a nova tecnologia o equipamento pesaria apenas cerca de 800 quilogramas.
Bibliografia:
Artigo: Monolithic gyroidal solid oxide cells by additive manufacturing
Autores: Zhipeng Zhou, Aakil R. Lalwani, Xiufu Sun, Zhihao Pan, Pouya Shahriary, Yun Xie, Yijing Shang, Javier L. Navas, Alberto Basso, Naiqi Shang, Marina Artemeva, Peyman Khajavi, Ming Chen, Victor B. Tinti, David B. Pedersen, Venkata K. Nadimpalli, Vincenzo Esposito
Revista: Nature Energy
Vol.: 10, pages 962-970
DOI: 10.1038/s41560-025-01811-y