Engenheiros do MIT desenvolveram um método rápido e sustentável para produzir combustível de hidrogênio usando alumínio, água salgada e borra de café.
Uma fonte sustentável de energia limpa pode estar em latas de refrigerante velhas e na água do mar.
Engenheiros do MIT descobriram que quando o alumínio em 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 do mais, essa reação simples pode ser acelerada adicionando um estimulante comum: cafeína.
Em um estudo publicado hoje na revista Relatórios de células Ciência física , os pesquisadores mostram que podem produzir gás hidrogênio ao jogar pelotas de alumínio pré-tratadas, do tamanho de seixos, em um béquer de água do mar filtrada. O alumínio é pré-tratado com uma liga de metal raro que efetivamente esfrega 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 gás hidrogênio com sucesso, embora lentamente. Por brincadeira, eles jogaram na mistura um pouco de pó de café e descobriram, para sua surpresa, 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 uma embarcação marítima ou veículo subaquático. A embarcação manteria um suprimento de pellets de alumínio (reciclados de latas de refrigerante velhas e outros produtos de alumínio), juntamente com uma pequena quantidade de gálio-índio e cafeína. Esses ingredientes poderiam ser periodicamente canalizados para o reator, juntamente com parte da água do mar ao redor, para produzir hidrogênio sob demanda. O hidrogênio poderia então abastecer um motor de 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 você não teria que carregar água do mar – ela está prontamente disponível”, diz o autor principal do estudo Aly Kombargi, um candidato a PhD no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Nós também não temos que carregar um tanque de hidrogênio. Em vez disso, nós transportaríamos alumínio como o ‘combustível’ e apenas adicionaríamos água para produzir o hidrogênio que precisamos.”
Os coautores do estudo incluem Enoch Ellis, 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, engenheiro mecânico do MIT.
Escudos para cima
A equipe do MIT, liderada por Hart, está desenvolvendo métodos eficientes e sustentáveis para produzir gás hidrogênio, que é visto como uma fonte de energia “verde” que pode alimentar motores e células de combustível sem gerar emissões que causam o aquecimento global.
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, buscaram maneiras de abastecer veículos com hidrogênio sem ter que transportar constantemente o próprio gás.
Eles encontraram uma possível solução alternativa no alumínio, um material naturalmente abundante e estável que, quando em contato com a água, sofre uma reação química direta que gera hidrogênio e calor.
A reação, no entanto, vem com uma espécie de Catch-22: embora o alumínio possa gerar hidrogênio quando se mistura com água, ele só pode fazer isso em um estado puro e exposto. No instante em que o alumínio encontra o oxigênio, como no ar, a superfície imediatamente forma uma fina camada de óxido, semelhante a um escudo, que impede outras reações. Essa barreira é a razão pela qual o hidrogênio não borbulha imediatamente quando você joga uma lata de refrigerante na água.
Em trabalhos anteriores, usando água doce, a equipe descobriu que poderia perfurar o escudo do alumínio e manter a reação com a água ao pré-tratar 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”, esfregando qualquer acúmulo de óxido e criando uma superfície de alumínio puro que é livre para reagir com água. Quando eles executaram a reação em água fresca e deionizada, eles descobriram que um pellet pré-tratado de alumínio 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 de tempo.
Mas para ampliar ainda mais o sistema, seria necessário um suprimento significativo de gálio-índio, que é relativamente caro e raro.
“Para que essa ideia fosse econômica e sustentável, tivemos que trabalhar na recuperação dessa liga pós-reação”, diz Kombargi.
À beira mar
No novo trabalho da equipe, eles descobriram que podiam recuperar e reutilizar gálio-índio usando uma solução de íons. Os íons – átomos ou moléculas com carga elétrica – protegem a liga metálica de reagir com água e ajudam a precipitar em uma forma que pode ser retirada e reutilizada.
“Para nossa sorte, a água do mar é uma solução iônica muito barata e disponível”, diz Kombargi, que testou a ideia com água do mar de uma praia próxima. “Eu literalmente fui para Revere Beach com um amigo e nós pegamos nossas garrafas e as enchemos, e então eu apenas filtrei algas e areia, adicionei alumínio a ela, e funcionou com os mesmos resultados consistentes.”
Ele descobriu que o hidrogênio realmente borbulhava quando ele adicionava alumínio a um béquer de água do mar filtrada. E ele conseguiu retirar o gálio-índio depois. Mas a reação aconteceu 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 coalescer e ser recuperado após a reação. Mas os íons têm um efeito semelhante no alumínio, construindo uma barreira que retarda sua reação com a água.
Enquanto procuravam maneiras de acelerar a reação na água do mar, os pesquisadores testaram vários ingredientes não convencionais.
“Estávamos brincando com coisas na cozinha e descobrimos que quando adicionamos pó de café à água do mar e colocamos pellets de alumínio, a reação foi bem mais rápida do que quando feita somente com água do mar”, diz Kombargi.
Para ver o que poderia explicar a aceleração, a equipe entrou em contato com colegas do departamento de química do MIT, que sugeriram que eles experimentassem o imidazol, um ingrediente ativo da cafeína, que tem uma estrutura molecular capaz de perfurar o alumínio (permitindo que o material continue reagindo com a água), deixando o escudo iônico do gálio-índio intacto.
“Essa foi nossa grande vitória”, diz Kombargi. “Tínhamos tudo o que queríamos: recuperar o gálio-índio, além da 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 marinhos e subaquáticos. Eles calcularam que tal reator, contendo cerca de 40 libras de pelotas de alumínio, poderia alimentar um pequeno planador subaquático por cerca de 30 dias bombeando água do mar ao redor e gerando hidrogênio para alimentar um motor.
“Estamos mostrando uma nova maneira de produzir combustível de hidrogênio, sem transportar hidrogênio, mas transportando alumínio como ‘combustível'”, diz Kombargi. “A próxima parte é descobrir como usar isso para caminhões, trens e talvez aviões. Talvez, em vez de ter que transportar água também, poderíamos extrair água da umidade ambiente para produzir hidrogênio. Isso está no futuro.”
Artigo: “Recuperação aprimorada de metais de ativação para geração acelerada de hidrogênio a partir de alumínio e água do mar”
