Gyeongyun Lily Min passou os últimos sete meses em um laboratório improvisado que ela montou na garagem de seus pais enquanto tentava converter vibrações produzidas por ondas sonoras em arenas esportivas em energia elétrica. Seus dias eram uma longa repetição de refinar o conceito, conduzir experimentos e analisar os resultados.
O aluno do último ano de 17 anos da Alfred M. Barbe High School em Lake Charles, Louisiana, foi inicialmente inspirado pela Disney Monstros SA. No filme de 2001, a energia é gerada pelos gritos das crianças. Sem a crueldade, pensou Gyeongyun, o conceito poderia ajudar a atender à demanda global por energia sustentável.
“Este conceito imaginativo despertou minha curiosidade sobre o potencial de converter som em energia utilizável”, explica Gyeongyun. “Comecei a me perguntar se, na realidade, poderíamos aproveitar o ruído abundante em ambientes como arenas esportivas e usá-lo para gerar eletricidade.”
Unindo sua curiosidade com sua paixão por ciência e inovação, a jovem estudante decidiu estudar o conceito por conta própria. “Essa ideia”, diz Gyeongyun, “me levou a explorar a viabilidade da coleta de energia acústica como uma solução energética sustentável e inovadora que poderia contribuir para atender às demandas globais de energia e reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis.”
Com sua tecnologia de sustentabilidade ambiental, Gyeongyun garantiu uma vaga como finalista na Feira Internacional de Ciências e Engenharia Regeneron deste ano, a maior competição global de ciências para estudantes do ensino médio.
Hoje, com mais de 60% da eletricidade global gerada por combustíveis fósseis, o mundo continua a ser fortemente dependente de fontes de energia não renováveis. O carvão é o maior contribuinte para a indústria, com cerca de 36%, seguido pelo gás natural, com uma participação de cerca de 23%. De acordo com um relatório recente da World Nuclear Association, que promove a indústria global de energia nuclear, mais de 40% das emissões de dióxido de carbono (CO2) relacionadas à energia por ano são devidas à queima de combustíveis fósseis para geração de eletricidade. O setor de energia é a maior fonte de CO2 que aquece o planeta em todo o mundo.
Cerca de um ano e meio atrás, Gyeongyun observou sua mãe jardinar e fazer seu próprio composto. Ela observou o calor gerado pelo composto e se perguntou como essa energia térmica poderia ser aproveitada e convertida em energia utilizável. “Isso me levou a explorar os princípios de transferência de calor e conversão de energia por meio de experimentos com compostagem de borra de café”, diz Gyeongyun.
Poucos meses depois, a pesquisadora estudante se viu novamente intrigada por novas formas inovadoras de coletar energia, dessa vez de ambientes como arenas esportivas com altos níveis de ruído, com a ajuda do efeito piezoelétrico.
Certos materiais no ambiente produzem grandes quantidades de energia mecânica como vibrações ou choques. Essa energia é amplamente desperdiçada. No entanto, com o efeito piezoelétrico, é possível converter essa energia cinética em energia elétrica. Piezoeletricidade, em termos simples, é a produção de uma carga elétrica em resposta à pressão natural ou artificialmente aplicada.
Um dos exemplos mais conhecidos de eletricidade gerada pelo efeito piezoelétrico foi encontrado na estação de trem de Shibuya, em Tóquio. De 2008 a 2009, um tapete piezoelétrico medindo cerca de 14 polegadas quadradas foi instalado do lado de fora da estação. O tapete de uma polegada de espessura gerava eletricidade toda vez que uma pessoa pisava nele. Com cerca de 2,4 milhões de pessoas passando pela estação diariamente, o tapete produzia entre 0,1 e 0,3 watts de eletricidade a cada segundo em que era pisado.
“Escolhi uma arena esportiva como o local adequado para meu projeto porque ela representa um ambiente único onde os níveis de ruído são consistentemente altos devido às multidões animadas, anúncios e música”, diz Gyeongyun. De acordo com a Academia Americana de Audiologia, os níveis de ruído em um evento esportivo podem chegar a 110 decibéis. “Além disso, as arenas esportivas são grandes espaços públicos onde a implementação de soluções de energia sustentável pode ter um impacto positivo significativo, tornando-as candidatas ideais para explorar técnicas inovadoras de coleta de energia”, ela acrescenta.
Para simular com precisão o ambiente sonoro de uma arena esportiva, a jovem inovadora construiu um modelo de aproximadamente 22 polegadas por 12 polegadas de um estádio de basquete com a proporção oficial da quadra da NBA, criado principalmente com materiais leves, como espuma e plástico, para simular os aspectos estruturais de uma arena esportiva real. Ela então encontrou os melhores locais dentro dele para geradores piezoelétricos estudando a pressão sonora em relação à posição do alto-falante. Para o som, Gyeongyun tocou gravações de áudio de ruídos típicos da multidão em uma arena esportiva, incluindo aplausos e sons ambientais gerais em níveis médios de pressão sonora de 70 e 100 decibéis, representando níveis de ruído normais e de pico observados durante um evento ao vivo. Ela projetou três tipos diferentes de modelos de coletores de energia — conhecidos como Cassegrain, Gregorian e front feed — que ajudam a concentrar o som nos geradores piezoelétricos, melhorando assim sua eficiência na captura de energia.
Regeneração ISEF 2024 – Gyeongyun Lily Min
A voltagem produzida pelos modelos de coleta de energia de Gyeongyun demonstrou uma saída de voltagem significativamente maior do que dispositivos piezoelétricos autônomos. “Enquanto um dispositivo piezoelétrico regular pode produzir voltagem mínima sob condições semelhantes”, explica a aluna, “os modelos de coleta no experimento produziram até várias dezenas de milivolts, dependendo da configuração e do nível de pressão sonora”. Ela acrescenta: “Esse aprimoramento sugere que o design dos modelos, que concentra a energia sonora em direção aos materiais piezoelétricos, desempenha um papel crucial no aumento da eficiência”.
Com recursos limitados, Gyeongyun enfrentou alguns obstáculos. Por um lado, ela lutou com material piezoelétrico de qualidade relativamente baixa que comprou da Amazon. “(Eles eram) não tão sensíveis quanto necessário para a coleta de energia ideal”, diz ela. “Essa limitação impactou significativamente a eficiência e a precisão do meu experimento.” No entanto, ela adaptou sua configuração experimental e reavaliou as expectativas em relação à saída de tensão.
O experimento revelou que os dispositivos piezoelétricos no modelo geraram quantidades relativamente pequenas de eletricidade, com a saída de voltagem variando dependendo do nível de pressão sonora e da localização dos coletores de energia. “Por exemplo, o modelo Cassegrain produziu uma média de 44,90 milivolts a 100 decibéis, enquanto o modelo de alimentação frontal produziu cerca de 38,60 milivolts a 70 decibéis”, explica Gyeongyun. Embora essa saída seja relativamente baixa, dimensionar isso para uma arena esportiva real sugere que há potencial para melhoria com materiais mais sensíveis e melhor design.
“O sucesso do experimento foi avaliado com base na saída de voltagem comparativa entre diferentes modelos e configurações, indicando que a implantação estratégica pode aumentar a eficiência da coleta de energia”, ela diz. “Se eu tivesse acesso a melhores materiais, acredito que poderia aumentar significativamente a eficácia e a confiabilidade da minha pesquisa de coleta de energia.”
Seu projeto demonstra a possibilidade de gerar energia elétrica com dispositivos piezoelétricos a partir de ambientes com níveis de ruído consideravelmente altos. Quando implementada em larga escala, a tecnologia tem o potencial de reduzir a dependência global de combustíveis fósseis, diminuindo assim as emissões de gases de efeito estufa e ajudando a mitigar as mudanças climáticas.
“Em áreas urbanas com tráfego pesado, o ruído constante dos veículos poderia ser aproveitado para gerar eletricidade, contribuindo para as necessidades energéticas da infraestrutura da cidade”, diz Gyeongyun. “As plantas de manufatura, que frequentemente têm ruído contínuo de máquinas, poderiam integrar dispositivos piezoelétricos para capturar e converter essas vibrações sonoras em energia elétrica, reduzindo assim seu consumo geral de energia e melhorando a sustentabilidade.”
Sistemas de transporte público, como estações de metrô e terminais de trem, que sofrem altos níveis de ruído ambiente de trens e passageiros, também poderiam utilizar essa tecnologia para impulsionar algumas de suas operações.
Com sua tecnologia de sustentabilidade ambiental, Gyeongyun garantiu uma vaga como finalista na Feira Internacional de Ciências e Engenharia Regeneron deste ano, a maior competição global de ciências do mundo para estudantes do ensino médio. O prêmio máximo foi concedido a um aluno que construiu um transistor eletroquímico orgânico melhor para ser usado em bioeletrônica implantável que pode ajudar a detectar e tratar doenças graves como diabetes, epilepsia e falência de órgãos. O prêmio de segundo lugar foi ganho por outro cientista estudante que melhorou a velocidade e a eficiência do software que é usado em vários campos, incluindo aprendizado de máquina, transporte e sistemas financeiros.
Maya Ajmera, presidente e CEO da Society for Science, que organiza a competição Regeneron, chama a pesquisa de Gyeongyun de “inovadora”. “Gyeongyun, aos 17 anos, pensando sobre esse projeto, achou-o muito inspirador”, diz ela.
Daniel Inman, engenheiro mecânico da Universidade de Michigan e coautor de Captação de energia piezoelétricaconsidera uma tecnologia viável. “Houve uma série de estudos sobre vibrações do piso como uma fonte de energia coletada, e isso pode ser viável.” No entanto, o especialista aponta vários fatores importantes que podem afetar o quão bem a tecnologia de Gyeongyun funciona. Isso inclui o tipo de material do qual o estádio é feito, a quantidade de energia vibracional gerada pela multidão caminhando ou pisando forte, e como essas vibrações são medidas.
“O grande desafio é que uma quantidade razoável de material piezoelétrico só tem a capacidade de coletar microwatts de energia”, diz Inman. “Existem muitos problemas e fatores na determinação de quanta energia pode ser coletada em uma determinada situação. Isso torna impossível fazer previsões sobre uma determinada situação, a menos que se conheçam todos os fatores, como a densidade da energia ambiente disponível e suas propriedades, como frequência, amplitude, etc. Trazer esses sistemas à escala exigiria centenas desses elementos.”
Gyeongyun continua esperançoso quanto ao futuro da tecnologia.
“Embora essa tecnologia ainda não seja realisticamente aplicável devido às limitações atuais na sensibilidade e eficiência dos materiais piezoelétricos, mais pesquisa e desenvolvimento podem melhorar significativamente sua viabilidade”, ela diz. “Ao avançar a qualidade dos dispositivos piezoelétricos e otimizar sua implantação, podemos desbloquear um novo caminho para a produção de energia sustentável, contribuindo para um futuro mais limpo e sustentável.”
