Gadgets sem bateria vão captar energia ambiente através de luz, calor e vibração

Os pequenos dispositivos eletrónicos ligados à Internet estão a tornar-se omnipresentes. A chamada Internet das Coisas (IdC) permite que os nossos gadgets inteligentes em casa e tecnologias viáveis como os nossos relógios inteligentes comuniquem e funcionem em conjunto. Os dispositivos da IdC são cada vez mais utilizados em todos os tipos de indústrias para impulsionar a interconectividade e a automatização inteligente como parte da "quarta revolução industrial".

A quarta revolução industrial baseia-se em tecnologia digital já difundida, como dispositivos conectados, inteligência artificial, robótica e impressão 3D. Espera-se que seja um fator significativo na revolução da sociedade, da economia e da cultura.

Estes dispositivos pequenos, autónomos, interligados e frequentemente sem fios já estão a desempenhar um papel fundamental na nossa vida quotidiana, ajudando-nos a tornar-nos mais eficientes em termos de recursos e energia, mais organizados, seguros, seguros e saudáveis.

Existe, contudo, um desafio fundamental: como alimentar estes pequenos dispositivos. A resposta óbvia é "baterias". Mas não é assim tão simples.

Pequenos dispositivos

Muitos destes dispositivos são demasiado pequenos para utilizar uma bateria de longa duração e estão localizados em locais remotos ou de difícil acesso, por exemplo, no meio do oceano a seguir um contentor de transporte ou no topo de um silo de armazenamento, controlando os níveis de cereais. Este tipo de locais tornam a manutenção de alguns dispositivos IdC extremamente desafiante e comercialmente e logisticamente inviável.

Mike Hayes, chefe das Tecnologias de Informação e Comunicação para a eficiência energética no Tyndall National Institute, na Irlanda, resume o mercado. "Está projetado que teremos um bilião de sensores no mundo até 2025. Isso representa mil milhares de milhões de sensores". Este número não é tão louco como parece inicialmente, segundo Hayes, coordenador do projeto financiado pelo Programa Horizonte EnABLES (Infraestrutura Europeia para Potenciar a Internet das Coisas).

Se pensar nos sensores da tecnologia que alguém pode transportar consigo ou ter no carro, em casa, no escritório, para além dos sensores incorporados nas infraestruturas à sua volta, tais como estradas e caminhos-de-ferro, pode ver de onde vem esse número, explica.

"No mundo do bilião de sensores IdC previsto para 2025, iremos atirar mais de cem milhões de pilhas e baterias todos os dias para aterros, a menos que prolonguemos significativamente a sua vida útil", antevê Hayes.

Duração da bateria

O aterro sanitário não é a única preocupação ambiental. Também precisamos de considerar de onde virá todo o material para fabricar as baterias. O projeto EnABLES apela aos líderes da UE e da indústria para que pensem na vida útil das baterias desde o início, ao conceberem dispositivos de IdC para garantir que as baterias não limitam a vida útil dos dispositivos.

"Não precisamos que o dispositivo dure para sempre", disse Hayes. "A bateria deve durar mais tempo do que a aplicação que está a servir. Por exemplo, se quiser monitorizar um equipamento industrial, provavelmente quer que ele dure cinco a dez anos. E em alguns casos, se fizer uma manutenção regular de três em três anos, e a bateria durar mais de três ou quatro anos, isso já será suficientemente bom".

Embora muitos dispositivos tenham uma vida operacional de mais de dez anos, a vida útil da bateria dos sensores sem fios é tipicamente de um a dois anos. O primeiro passo para aumentar a vida útil das baterias é aumentar a energia que estas fornecem. Além disso, a redução do consumo de energia dos dispositivos irá prolongar a bateria. Mas o EnABLES vai ainda mais longe.

O projeto reúne 11 dos principais institutos de investigação europeus. Com outros intervenientes, o EnABLES está a trabalhar para desenvolver formas inovadoras de captar pequenas energias ambientais, tais como luz, calor e vibração.

A captação de tais energias irá prolongar ainda mais a vida útil da bateria. O objetivo é criar baterias auto-carregadas que duram mais tempo ou acabam por funcionar de forma autónoma.

Captadores de energia

Os captadores de energia ambiental, tais como um pequeno coletor vibratório ou painel solar interior, que produzem baixas quantidades de energia (na gama dos miliwatts), poderiam prolongar significativamente a vida útil da bateria de muitos dispositivos, de acordo com Hayes. Estes incluem artigos de uso diário como relógios, etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID), aparelhos auditivos, detetores de dióxido de carbono e sensores de temperatura, luz e humidade.

EnABLES está também a conceber as outras tecnologias-chave necessárias para os minúsculos dispositivos IdC. Não satisfeito com a melhoria da eficiência energética, o projeto está também a tentar desenvolver um quadro e tecnologias normalizadas e interoperáveis para estes dispositivos.

Um dos principais desafios com as ferramentas de IdC com alimentação autónoma é a gestão de energia. A fonte de energia pode ser intermitente e a níveis muito baixos (microwatts), e diferentes métodos de captação fornecem diferentes formas de energia que requerem diferentes técnicas para a converterem em eletricidade.

Débito constante

Huw Davies, é diretor executivo da Trameto, uma empresa que está a desenvolver a gestão de energia para aplicações piezoelétricas. Assinala que a energia proveniente de dispositivos fotovoltaicos tende a vir num débito constante, enquanto a proveniente de dispositivos piezoelétricos, que convertem a energia ambiente dos movimentos (vibrações) em energia elétrica, geralmente vem em "rajadas".

"Precisamos de uma forma de armazenar essa energia localmente antes de ser entregue sob a forma de uma carga, por isso precisamos de ter maneiras de a gerir", disse Davies, que coordenada o projeto HarvestAll, financiado pelo programa Horizonte, que desenvolveu um sistema de gestão de energia ambiente denominado OptiJoule.

O OptiJoule trabalha com materiais piezoelétricos, fotovoltaicos e geradores de eletricidade térmica. Pode funcionar com qualquer uma destas fontes por si só, ou com múltiplas fontes de captação de energia ao mesmo tempo.

O objetivo é permitir que os sensores autónomos sejam auto-sustentáveis. Em princípio, é bastante simples. "Estamos a falar de sensores com uma potência ultra-baixa que fazem algumas medições digitais", disse Davies. "Temperatura, humidade, pressão, o que quer que seja, com os dados daí provenientes a serem disponibilizados na Internet".

Circuitos integrados

O dispositivo de circuito integrado de gestão de energia HarvestAll ajusta-se para corresponder aos diferentes coletores de energia. Recolhe a energia diferente e intermitente criada por estes captadores e armazena-a, por exemplo, numa bateria ou condensador, e depois gere um débito constante de energia ao sensor.

À semelhança do projeto EnABLES, a ideia é criar uma tecnologia normalizada que permita o rápido desenvolvimento de dispositivos da IdC de longa duração/autónomos na Europa e no mundo.

Davies afirmou que o circuito de gestão de energia funciona de forma completamente autónoma e automática. Foi concebido de modo a poder ser ligado a um captador, ou a combinação de captadores, e a um sensor. Como substituto da bateria tem uma vantagem significativa, de acordo com Davies, porque "vai apenas funcionar". A investigação neste artigo foi financiada pela UE.

Este artigo foi originalmente publicado na Horizon, a Revista de Investigação e Inovação da UE.