Armazenar hidrogênio de modo seguro, eficiente e econômico é um dos principais desafios tecnológicos à implementação de uma nova matriz energética, baseada em fontes mais limpas e sustentáveis de energia. Participar da superação desse desafio é o objetivo de Guilherme Zepon, docente do Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), um dos 12 jovens pesquisadores selecionados entre quase dois mil candidatos para receber R$ 1 milhão do Instituto Serrapilheira, para desenvolvimento de projetos de pesquisa ousados que busquem responder a grandes questões em suas áreas de conhecimento. O anúncio dos selecionados foi feito no dia 17 de maio, no Rio de Janeiro, sede do Serrapilheira.
O Brasil tem enorme potencial de produção de energia a partir de fontes renováveis - especialmente solar e eólica -, mas a concretização desse potencial ainda depende de desenvolvimentos científicos e tecnológicos em diferentes pontos do processo, desde a produção, passando pela armazenagem e transporte, até o uso da energia para diferentes finalidades. Nesse cenário, além do seu uso direto como combustível, o hidrogênio também é visto como vetor energético ideal, ou seja, como solução estratégica para armazenar e transportar a energia produzida de fontes renováveis (a partir da produção de hidrogênio pela eletrólise da água, com uso de energia solar ou eólica, por exemplo).
No entanto, o hidrogênio coloca vários desafios para esse transporte, pois, além de ser um gás de baixa densidade - ocupando, assim, grandes volumes -, é também inflamável e explosivo. Nesse contexto, uma das alternativas mais promissoras está nos hidretos metálicos, materiais formados a partir da exposição de ligas metálicas a pressões de hidrogênio, o que resulta na incorporação do átomo de hidrogênio à estrutura do material. Essa estratégia - chamada de armazenagem de hidrogênio no estado sólido - já é empregada em alguns tanques, abastecidos com hidretos metálicos, mas as propriedades desses hidretos ainda podem ser bastante otimizadas, e é isto que busca a pesquisa do docente da UFSCar.
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Zepon conta que trabalhou com armazenagem de hidrogênio já na sua iniciação científica, quando era aluno de graduação em Engenharia de Materiais, curso que concluiu na UFSCar em 2011. Depois, no mestrado e no doutorado, também concluídos na UFSCar, o pesquisador focou em outras áreas e, a partir do final de 2016, quando se tornou docente na Universidade, retornou à temática. "O edital do Serrapilheira buscava projetos inovadores e desafiadores e, nesse contexto, eu propus o estudo de novos materiais nunca antes utilizados para armazenagem de hidrogênio, que são as ligas metálicas de alta entropia", conta Zepon.
Enquanto as ligas metálicas convencionais apresentam apenas um ou dois elementos químicos preponderantes, as ligas de alta entropia - que são ligas não convencionais - são formadas a partir de, no mínimo, cinco elementos, em quantidades semelhantes. Zepon afirma que os primeiros registros desses novos materiais datam de 2004, e que cada vez mais cresce o interesse nessas ligas, dada a identificação de propriedades interessantes em diferentes combinações. "O ano do edital do Serrapilheira [2017] foi o ano em que publicamos nosso primeiro trabalho sobre a alta capacidade de absorção de hidrogênio de uma dessas ligas. Na mesma época, começaram a surgir outros trabalhos ao redor do mundo sobre ligas semelhantes, indicando o seu potencial para essa aplicação", conta o pesquisador.
Um desafio na utilização de hidretos metálicos é o balanceamento entre a afinidade da liga metálica com o hidrogênio - ou seja, sua capacidade de absorção do hidrogênio - e a estabilidade desse hidreto, isto é, a temperatura necessária para que o hidrogênio volte a ser liberado. "Os materiais já empregados ainda exigem temperaturas muito altas para a liberação do hidrogênio. Como, no caso das ligas de alta entropia, são utilizados vários elementos distintos, vislumbrei a possibilidade de controlar a afinidade e a estabilidade desses hidretos, dentre outras propriedades relacionadas à armazenagem de hidrogênio, por meio das diferentes combinações entre os possíveis elementos químicos, e assim buscar materiais com propriedades melhores do que as dos materiais já existentes", explica Zepon.
Para tanto, na primeira fase do edital do Serrapilheira - que contemplou 65 projetos pelo período de um ano, com financiamento de até R$ 100 mil -, o docente da UFSCar, junto com o seu grupo de pesquisa - do Laboratório de Hidrogênio em Metais -, produziu ligas com diferentes composições, identificando aquelas com propriedades de armazenagem de hidrogênio mais ou menos otimizadas. Agora, a partir da aprovação para a segunda fase - que deve durar três anos -, essas ligas serão estudadas visando a compreensão do seu funcionamento. "A primeira fase foi exploratória e, agora, entraremos em uma etapa de Ciência básica, fundamental. O objetivo é entender como controlar as propriedades do material a partir da sua composição", relata Zepon. "As ligas não convencionais são formadas por pelo menos cinco elementos, que eu posso escolher dentre as dezenas de opções da tabela periódica, o que abre um universo enorme de materiais a ser estudado. Quais elementos utilizar, em que quantidades e proporções, para obter as propriedades desejadas? Esta é a grande pergunta do meu projeto", resume o pesquisador.
Do financiamento de R$ 1 milhão disponibilizado aos selecionados pelo Instituto Serrapilheira, R$ 300 mil estão condicionados à promoção da diversidade na Ciência. No seu projeto, Guilherme Zepon pretende aplicar esse recurso na concessão de bolsas de iniciação científica e mestrado a integrantes de populações sub-representadas na Engenharia de Materiais, a serem identificadas em conjunto com o Serrapilheira. "Além da questão da diversidade, essa possibilidade de oferecer bolsas é um privilégio para quem está em início de carreira, como eu, e tem essa oportunidade de montar uma equipe", registra Zepon. "Aliás, um aspecto muito importante a destacar é que a seleção do projeto já é a conquista de uma equipe, com outros docentes do Departamento e estudantes de graduação e pós-graduação. Foi muito gratificante receber a notícia principalmente por ser resultado do trabalho de um ano com essa equipe", complementa. "Também foi uma honra. Participar dos encontros com os 65 selecionados na primeira fase era sempre uma injeção de ânimo, uma oportunidade de ver como, apesar das adversidades, dos cortes de recursos, há muita gente boa produzindo Ciência de qualidade no País", conclui o pesquisador da UFSCar.
