Supercapacitor impresso em 3D para exploração espacial | Render Blog
Post published:segunda-feira, 24 de maio de 2021
Armazenar energia em missões espaciais pode ser complicado. As baterias não gostam do frio do espaço e, portanto, precisam ser aquecidas para serem úteis. Isso requer aquecedores dentro do compartimento da bateria, o que adiciona um pouco de massa extra (ruim) e também incorre em uma penalidade no orçamento de energia da espaçonave.
Seria mais conveniente se houvesse alguma forma de solução de armazenamento de energia que pudesse funcionar em ambientes extremos, como no espaço propriamente dito, ou em algum outro deserto gelado de um planeta.
Bem, provavelmente há algumas boas notícias sobre isso, já que uma equipe de engenheiros usou a manufatura aditiva para criar um supercapacitor que funciona quando está frio. Muito frio!
Os eletrodos do supercapacitor são primeiro impressos em uma estrutura de matriz usando uma tinta à base de nanocristal de celulose de aerogel de carbono. A matriz é então liofilizada e um tratamento de superfície é aplicado.
Este processo resulta em uma estrutura porosa com orifícios medindo apenas 500 mícrons na superfície, como você pode ver na imagem abaixo. Você pode ver poros menores nos feixes da própria matriz. Esses poros menores medem na escala nanométrica e a rede porosa resultante permite a difusão de íons e transferência de carga através do eletrodo. E o que é mais é que permite que esse processo ocorra em temperaturas tão baixas quanto -70 °C, o que é perfeito para aquelas noites frias de Marte e até mesmo para as regiões polares aqui na Terra.
Poros e mais poros (Crédito da imagem: Universidade da Califórnia)
A própria tinta foi formulada primeiramente sintetizando nanoesferas de SiO2 e, em seguida, misturando-as com o fluido de nitrocelulose. A tinta foi então colocada em uma seringa antes de receber alguma ação centrífuga para remover as bolhas, antes de ser carregada na impressora.
Nanopartículas para a tinta (crédito da imagem: Universidade da Califórnia)
Neste caso, a impressora era uma impressora 3D Hyrel 30M que pode imprimir vários materiais diferentes. Após a impressão da matriz, ela era colocada no freezer para evitar que a água evaporasse da estrutura.
As amostras, então, vão para um outro processo de liofilização antes de serem tratadas a algumas altas temperaturas em um forno para carbonizar a amostra em um aerogel incorporado em SiO2.
Outros ciclos de lavagem e secagem são realizados na amostra antes que ela receba uma explosão final em um forno para recozer o material.
O resultado é um aerogel poroso multiescalar impresso em 3D (3D-MCA) com uma grande área de superfície que ajuda a atingir alta capacitância em baixas temperaturas e também consegue reter essa capacitância em altas taxas de varredura. A equipe aponta que o aerogel retém a capacitância em um valor 6,5 vezes maior do que os aerogéis porosos multiescala impressos não 3D.
Isso demonstra o valor do uso de estruturas porosas na fabricação de capacitores de baixa temperatura. A NASA também concorda e estará auxiliando os pesquisadores com mais caracterização.
A equipe de pesquisa está principalmente na Universidade da Califórnia, Santa Cruz, e também tem colaboradores da Universidade Sun Yat-Sen, da China, e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (também Califórnia), e teve suas pesquisas financiadas pela NASA e pelo DoE dos EUA que estão sem dúvida satisfeitos com os resultados.