Enquanto o mundo trabalha para se afastar dos combusta­veis fa³sseis, muitos pesquisadores estãoinvestigando se o combusta­vel de hidrogaªnio limpo pode desempenhar um papel mais amplo em setores de transporte e indústria a edifa­cios e geração de energia. Ele poderia ser usado em vea­culos com células de combusta­vel, caldeiras de produção de calor, turbinas a gás para geração de eletricidade, sistemas de armazenamento de energia renova¡vel e muito mais.

Mas, embora o uso de hidrogaªnio não gere emissaµes de carbono, o que costuma acontecer. Hoje, quase todo o hidrogaªnio éproduzido usando processos baseados em combusta­veis fa³sseis que, juntos, geram mais de 2 por cento de todas as emissaµes globais de gases de efeito estufa. Além disso, muitas vezes o hidrogaªnio éproduzido em um local e consumido em outro, o que significa que seu uso também apresenta desafios loga­sticos.

Outra opção para produzir hidrogaªnio vem de uma fonte talvez surpreendente: a reação do aluma­nio com a a¡gua. O metal aluma­nio ira¡ reagir prontamente com a águaa  temperatura ambiente para formar hidra³xido de aluma­nio e hidrogaªnio. Essa reação normalmente não ocorre porque uma camada de a³xido de aluma­nio cobre naturalmente o metal bruto, evitando que ele entre em contato direto com a a¡gua.

Usar a reação aluma­nio- águapara gerar hidrogaªnio não produz emissaµes de gases de efeito estufa e promete resolver o problema de transporte para qualquer local com águadispona­vel. Basta mover o aluma­nio e reagir com águano local. "Fundamentalmente, o aluma­nio se torna um mecanismo para armazenar hidrogaªnio - e muito eficaz", diz Douglas P. Hart, professor de engenharia meca¢nica do MIT. "Usando aluma­nio como nossa fonte, podemos 'armazenar' hidrogaªnio em uma densidade que é10 vezes maior do que se simplesmente o armazena¡ssemos como um gás comprimido."

Dois problemas impediram que o aluma­nio fosse empregado como uma fonte segura e econa´mica para a geração de hidrogaªnio. O primeiro problema égarantir que asuperfÍcie do aluma­nio esteja limpa e dispona­vel para reagir com a a¡gua. Para esse fim, um sistema prático deve incluir um meio de primeiro modificar a camada de a³xido e, em seguida, evitar que ela se volte a formar a  medida que a reação prossegue.

O segundo problema éque o aluma­nio puro consome muita energia para minerar e produzir, portanto, qualquer abordagem prática precisa usar sucata de aluma­nio de várias fontes. Mas a sucata de aluma­nio não éum material de partida fa¡cil. Normalmente ocorre na forma de liga, o que significa que contanãm outros elementos que são adicionados para alterar as propriedades ou caracteri­sticas do aluma­nio para diferentes usos. Por exemplo, adicionar magnanãsio aumenta a força e a resistência a  corrosão, adicionar sila­cio diminui o ponto de fusão e adicionar um pouco de ambos torna uma liga moderadamente forte e resistente a  corrosão.

Apesar da pesquisa considera¡vel sobre o aluma­nio como fonte de hidrogaªnio, duas questões-chave permanecem: Qual éa melhor maneira de prevenir a aderaªncia de uma camada de a³xido nasuperfÍcie do aluma­nio e como os elementos de liga em um pedaço de sucata de aluma­nio afetam a quantidade total de hidrogaªnio gerado e a taxa em que égerado?

"Se vamos usar sucata de aluma­nio para geração de hidrogaªnio em uma aplicação prática , precisamos ser capazes de prever melhor quais caracteri­sticas de geração de hidrogaªnio observaremos a partir da reação aluma­nio-a¡gua", disse Laureen Meroueh Ph.D. . '20, que obteve seu doutorado em engenharia meca¢nica.

Como as etapas fundamentais da reação não são bem compreendidas, édifa­cil prever a taxa e o volume em que o hidrogaªnio se forma a partir da sucata de aluma­nio, que pode conter vários tipos e concentrações de elementos de liga. Então Hart, Meroueh e Thomas W. Eagar, professor de engenharia de materiais e gerenciamento de engenharia no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, decidiram examinar - de forma sistema¡tica - os impactos desses elementos de liga na reação aluma­nio- águae em uma técnica promissora para prevenir a formação da camada de a³xido interferente.

Para se preparar, eles fizeram com que especialistas da Novelis Inc. fabricassem amostras de aluma­nio puro e de ligas de aluma­nio especa­ficas feitas de aluma­nio comercialmente puro combinado com 0,6 por cento de sila­cio (em peso), 1 por cento de magnanãsio ou ambos - composições que são tipicas de sucata de aluma­nio de uma variedade de fontes. Usando essas amostras, os pesquisadores do MIT realizaram uma sanãrie de testes para explorar diferentes aspectos da reação aluma­nio-a¡gua.

O primeiro passo foi demonstrar um meio eficaz de penetrar na camada de a³xido que se forma no aluma­nio no ar. O aluma­nio sãolido éfeito de pequenos gra£os que são agrupados com limites ocasionais onde não se alinham perfeitamente. Para maximizar a produção de hidrogaªnio, os pesquisadores precisariam evitar a formação da camada de a³xido em todas assuperfÍcies internas dos gra£os.

Grupos de pesquisa já tentaram várias maneiras de manter os gra£os de aluma­nio "ativados" para reação com a a¡gua. Alguns tem triturado amostras de sucata empartículas tão minaºsculas que a camada de a³xido não adere. Mas os pa³s de aluma­nio são perigosos, pois podem reagir com a umidade e explodir. Outra abordagem exige a trituração de amostras de sucata e a adição de metais la­quidos para evitar a deposição de a³xido. Mas a moagem éum processo caro e que consome muita energia.

Para Hart, Meroueh e Eagar, a abordagem mais promissora - introduzida pela primeira vez por Jonathan Slocum ScD '18 enquanto ele estava trabalhando no grupo de pesquisa de Hart - envolvia pré-tratamento do aluma­nio sãolido pintando metais la­quidos por cima e permitindo que eles penetrassem no limites de gra£os.

Para determinar a eficácia dessa abordagem, os pesquisadores precisavam confirmar se os metais la­quidos atingiriam assuperfÍcies internas dos gra£os, com e sem a presença de elementos de liga. E eles tiveram que estabelecer quanto tempo levaria para o metal la­quido revestir todos os gra£os em aluma­nio puro e suas ligas.

Eles começam combinando dois metais - ga¡lio e a­ndio - em proporções especa­ficas para criar uma mistura "eutanãtica"; ou seja, uma mistura que permaneceria na forma la­quida em temperatura ambiente. Eles revestiram suas amostras com o eutanãtico e permitiram que ele penetrasse por períodos de tempo que variavam de 48 a 96 horas. Eles então expuseram as amostras a  águae monitoraram o rendimento de hidrogaªnio (a quantidade formada) e a vaza£o por 250 minutos. Apa³s 48 horas, eles também tiraram imagens de microscopia eletra´nica de varredura (SEM) de alta ampliação para que pudessem observar os limites entre os gra£os de aluma­nio adjacentes.

Com base nas medições do rendimento de hidrogaªnio e nas imagens do SEM, a equipe do MIT concluiu que o eutanãtico ga¡lio-a­ndio permeia naturalmente e atinge assuperfÍcies interiores dos gra£os. No entanto, a taxa e a extensão da penetração variam com a liga. A taxa de permeação foi a mesma em amostras de aluma­nio dopado com sila­cio e em amostras de aluma­nio puro, mas mais lenta em amostras dopadas com magnanãsio.

Talvez o mais interessante tenha sido os resultados de amostras dopadas com sila­cio e magnanãsio - uma liga de aluma­nio frequentemente encontrada em fluxos de reciclagem. O sila­cio e o magnanãsio se ligam quimicamente para formar o siliceto de magnanãsio, que ocorre como depa³sitos sãolidos nassuperfÍcies internas dos gra£os. Meroueh levantou a hipa³tese de que, quando sila­cio e magnanãsio estãopresentes na sucata de aluma­nio, esses depa³sitos podem atuar como barreiras que impedem o fluxo do eutanãtico ga¡lio-a­ndio.

Os experimentos e imagens confirmaram sua hipa³tese: os depa³sitos sãolidos agiram como barreiras, e as imagens de amostras pré-tratadas por 48 horas mostraram que a permeação não foi completa. Claramente, um longo período de pré-tratamento seria crítico para maximizar o rendimento de hidrogaªnio de restos de aluma­nio contendo sila­cio e magnanãsio.

Meroueh cita vários benefa­cios do processo que eles usaram. "Vocaª não precisa aplicar nenhuma energia para que o eutanãtico ga¡lio-a­ndio faz sua ma¡gica no aluma­nio e se livre dessa camada de a³xido", diz ela. "Depois de ativar o aluma­nio, vocêpode joga¡-lo na águae ele vai gerar hidrogaªnio - sem necessidade de entrada de energia." Melhor ainda, o eutanãtico não reage quimicamente com o aluma­nio. “Ele apenas se move fisicamente entre os gra£os”, diz ela. "No final do processo, eu poderia recuperar todo o ga¡lio e a­ndio que coloquei e usa¡-los novamente" - um recurso valioso, pois o ga¡lio e (especialmente) o a­ndio são caros e relativamente escassos.

Os pesquisadores investigaram a seguir como a presença de elementos de liga afeta a geração de hidrogaªnio. Eles testaram amostras que haviam sido tratadas com o eutanãtico por 96 horas; a essa altura, o rendimento de hidrogaªnio e as taxas de fluxo haviam se estabilizado em todas as amostras.

A presença de 0,6 por cento de sila­cio aumentou o rendimento de hidrogaªnio para um determinado peso de aluma­nio em 20 por cento em comparação com o aluma­nio puro - embora a amostra contendo sila­cio tivesse menos aluma­nio do que a amostra de aluma­nio puro. Em contraste, a presença de 1 por cento de magnanãsio produziu muito menos hidrogaªnio, enquanto a adição de sila­cio e magnanãsio aumentou o rendimento, mas não aoníveldo aluma­nio puro.

A presença de sila­cio também acelerou muito a taxa de reação, produzindo um pico muito mais alto na taxa de fluxo, mas diminuindo a duração da saa­da de hidrogaªnio. A presença de magnanãsio produziu uma taxa de fluxo mais baixa, mas permitiu que a saa­da de hidrogaªnio permanecesse razoavelmente esta¡vel ao longo do tempo. E mais uma vez, o aluma­nio com os dois elementos de liga produziu uma taxa de fluxo entre a do aluma­nio dopado com magnanãsio e o do aluma­nio puro.

Esses resultados fornecem orientação prática sobre como ajustar a saa­da de hidrogaªnio para atender a s necessidades operacionais de um dispositivo que consome hidrogaªnio. Se o material inicial for aluma­nio comercialmente puro, a adição de pequenas quantidades de elementos de liga cuidadosamente selecionados pode ajustar o rendimento de hidrogaªnio e a taxa de fluxo. Se o material inicial for sucata de aluma­nio, a escolha cuidadosa da fonte pode ser fundamental. Para altas e breves explosaµes de hidrogaªnio, pedaço s de aluma­nio contendo sila­cio de um ferro-velho podem funcionar bem. Para fluxos mais baixos, mas mais longos, restos contendo magnanãsio da estrutura de um edifa­cio demolido podem ser melhores. Para resultados intermediários, o aluma­nio contendo sila­cio e magnanãsio deve funcionar bem; esse material estãodispona­vel em abunda¢ncia em carros e motocicletas sucateados, iates, quadros de bicicletas e atéem capas de smartphones.

Tambanãm deve ser possí­vel combinar restos de diferentes ligas de aluma­nio para ajustar o resultado, observa Meroueh. "Se eu tiver uma amostra de aluma­nio ativado que contanãm apenas sila­cio e outra amostra que contanãm apenas magnanãsio, posso coloca¡-los em um recipiente com águae deixa¡-los reagir", diz ela. "Então eu consigo um aumento rápido na produção de hidrogaªnio a partir do sila­cio e então o magnanãsio assume e tem uma produção esta¡vel."

Outra maneira prática de afetar a produção de hidrogaªnio poderia ser reduzir o tamanho dos gra£os de aluma­nio - uma mudança que deve aumentar a área desuperfÍcie total dispona­vel para que as reações ocorram.

Para investigar essa abordagem, os pesquisadores solicitaram amostras especialmente personalizadas de seu fornecedor. Usando procedimentos industriais padra£o, os especialistas da Novelis primeiro alimentaram cada amostra por meio de dois rolos, espremendo-a na parte superior e inferior para que os gra£os internos fossem achatados. Eles então aqueceram cada amostra atéque os gra£os longos e planos se reorganizassem e diminua­ssem atéo tamanho desejado.

Em uma sanãrie de experimentos cuidadosamente projetados, a equipe do MIT descobriu que a redução do tamanho do gra£o aumentou a eficiência e diminuiu a duração da reação em vários graus nas diferentes amostras. Novamente, a presença de elementos de liga específicos teve um efeito importante no resultado.

Ao longo de seus experimentos, os pesquisadores encontraram alguns resultados inesperados. Por exemplo, a teoria da corrosão padrãoprevaª que o aluma­nio puro ira¡ gerar mais hidrogaªnio do que o aluma­nio dopado com sila­cio - o oposto do que eles observaram em seus experimentos.

Para esclarecer as reações químicas subjacentes, Hart, Meroueh e Eagar investigaram o "fluxo" do hidrogaªnio, ou seja, o volume de hidrogaªnio gerado ao longo do tempo em cada centa­metro quadrado dasuperfÍcie do aluma­nio, incluindo os gra£os internos. Eles examinaram três tamanhos de gra£os para cada uma de suas quatro composições e coletaram milhares de pontos de dados medindo o fluxo de hidrogaªnio.

Seus resultados mostram que a redução do tamanho do gra£o tem efeitos significativos. Ele aumenta o fluxo de pico de hidrogaªnio do aluma­nio dopado com sila­cio em até100 vezes e nas outras três composições em 10 vezes. Com o aluma­nio puro e o aluma­nio contendo sila­cio, a redução do tamanho do gra£o também diminui o atraso antes do pico de fluxo e aumenta a taxa de decla­nio posteriormente. Com o aluma­nio que contanãm magnanãsio, a redução do tamanho do gra£o traz um aumento no fluxo de pico de hidrogaªnio e resulta em um decla­nio ligeiramente mais rápido na taxa de saa­da de hidrogaªnio. Com a presença de sila­cio e magnanãsio, o fluxo de hidrogaªnio ao longo do tempo se assemelha ao do aluma­nio contendo magnanãsio quando o tamanho do gra£o não émanipulado. Quando o tamanho do gra£o éreduzido, as caracteri­sticas de saa­da de hidrogaªnio comea§am a se assemelhar ao comportamento observado no aluma­nio contendo sila­cio.

Os pesquisadores enfatizam os benefa­cios de desenvolver uma melhor compreensão fundamental das reações químicas subjacentes envolvidas. Além de orientar o projeto de sistemas práticos, pode ajuda¡-los a encontrar um substituto para o caro a­ndio em sua mistura de pré-tratamento. Outro trabalho mostrou que o ga¡lio ira¡ permear naturalmente atravanãs dos limites de gra£o do aluma­nio. “Neste ponto, sabemos que o a­ndio em nossa eutanãtica éimportante, mas não entendemos realmente o que ele faz, então não sabemos como substitua­-lo”, diz Hart.

Mas Hart, Meroueh e Eagar já demonstraram duas maneiras prática s de ajustar a taxa de reação do hidrogaªnio: adicionando certos elementos ao aluma­nio e manipulando o tamanho dos gra£os de aluma­nio internos. Combinadas, essas abordagens podem fornecer resultados significativos. "Se vocêpassar do aluma­nio contendo magnanãsio com o maior tamanho de gra£o para o aluma­nio contendo sila­cio com o menor tamanho de gra£o , tera¡ uma taxa de reação do hidrogaªnio que difere em duas ordens de magnitude", diz Meroueh. "Isso éenorme se vocêestãotentando projetar um sistema real que usaria essa reação."