Evolução das molas: Hastes torcidas armazenam quantidades enormes de energia

Mec?nica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/04/2025

Materiais mec?nicos artificiais

J? sab?amos que torcer o a?o o torna mais forte e mais resistente e que estruturas torcidas fazem m?sculos artificiais muito eficientes, mas agora podemos ter dado um verdadeiro salto no uso da tor??o como uma nova forma de armazenamento de energia.

As estrelas desta inova??o s?o os metamateriais mec?nicos. Os metamateriais, materiais artificiais cujas propriedades dependem de sua estrutura f?sica, e n?o de sua composi??o qu?mica, t?m sido mais comumente projetados para lidar com ondas eletromagn?ticas, mas o conceito ? muito mais vers?til do que isso, podendo ser usados desde a gera??o de energia at? formas alternativas de computa??o ou uma forma de mat?ria reprogram?vel.

Xin Fang e colegas do Instituto Karlsruhe de Tecnologia, na Alemanha, juntaram as duas coisas, fazendo um metamaterial mec?nico usando unidades torcidas, o que permitiu atingir uma densidade de energia el?stica muito elevada.

Hastes altamente torcidas, que se deformam helicoidalmente, d?o a esses metamateriais uma alta rigidez e permitem que eles absorvam e liberem grandes quantidades de energia el?stica.

O armazenamento de energia mec?nica ? necess?rio para muitas tecnologias - basta pensar nas molas, amortecedores e hastes flex?veis que trabalham tensionadas; elas est?o por toda parte, trabalhando na absor??o de energia, no armazenamento de energia mec?nica, na rob?tica e dever?o ser importantes nas novas tecnologias de armazenamento de energias renov?veis.

E os metamateriais mec?nicos demonstrados agora podem aumentar a efici?ncia de todas essas tecnologias e viabilizar usos totalmente novos.

Entalpia

Os novos metamateriais torcidos permitem que a energia cin?tica, ou seja, energia de movimento ou o trabalho mec?nico correspondente, seja convertida em energia el?stica, ou seja, armazenada, podendo ser liberada novamente quando necess?rio.

"A dificuldade ? combinar propriedades conflitantes: Alta rigidez, alta resist?ncia e grande deforma??o recuper?vel," disse o professor Peter Gumbsch.

A caracter?stica chave aqui ? a entalpia, a densidade de energia que pode ser armazenada e recuperada de cada elemento do material. Os elementos individuais de um metamaterial s?o comumente chamados de meta-?tomos, e o grande feito da equipe foi justamente projetar esses ?tomos artificiais para obter o maior rendimento poss?vel.

"Primeiramente, detectamos um mecanismo para armazenar uma grande quantidade de energia em uma haste redonda simples sem quebr?-la ou deform?-la permanentemente," contou Gumbsch. "Ao definir um arranjo inteligente das hastes, ent?o integramos esse mecanismo em um metamaterial."

Molas 2.0

Em uma mola de flex?o comum, a deforma??o m?xima ? limitada pelas altas tens?es de tra??o e compress?o que ocorrem nas superf?cies superior e inferior, que leva ? quebra ou a uma deforma??o pl?stica permanente. Nessas molas, as tens?es em todo o volume interno s?o muito baixas.

No entanto, se uma haste for torcida, toda a sua superf?cie tamb?m ser? exposta a altas tens?es, mas o volume interno sob baixas tens?es ser? consideravelmente menor. Para tirar proveito total desse mecanismo, a tor??o deve ser t?o alta que resulte em uma deforma??o helicoidal complexa.

O que os pesquisadores conseguiram foi integrar essas hastes carregadas torcionalmente e deformadas helicoidalmente em um metamaterial que pode ser usado macroscopicamente sob cargas uniaxiais. O resultado ? uma elevada rigidez e, portanto, uma capacidade de absorver for?as muito maiores do que as molas comuns.

Al?m disso, a entalpia do novo metamaterial ? de 2 a 160 vezes maior do que a de outros metamateriais mec?nicos com estruturas quirais espelhadas que foram testados pela equipe para compara??o.

"Nossos novos metamateriais, com sua alta capacidade de armazenamento de energia el?stica, t?m o potencial de serem usados em v?rias ?reas no futuro, onde tanto o armazenamento eficiente de energia quanto propriedades mec?nicas excepcionais s?o necess?rias," concluiu Gumbsch.

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