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Uma inovação surpreendente está chamando atenção no campo da engenharia: hastes torcidas que conseguem armazenar enormes quantidades de energia mecânica. Com desempenho superior ao das molas tradicionais
Uma inovação no campo dos materiais pode mudar como lidamos com o armazenamento de energia mecânica. Pesquisadores do Instituto Karlsruhe de Tecnologia, na Alemanha, desenvolveram um novo tipo de metamaterial baseado em hastes torcidas, que deu origem a novas molas com desempenho superior. O resultado é uma densidade de energia elástica muito mais alta do que se conhecia até agora.
Essa tecnologia tem potencial para transformar diversas aplicações, como robótica, amortecedores e até sistemas de energia renovável.
O segredo está no uso de hastes torcidas intensamente, que se deformam helicoidalmente. Isso dá ao material uma combinação rara de alta rigidez, resistência e capacidade de deformação.
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A base da inovação
Metamateriais são materiais artificiais cujas propriedades dependem da forma como são estruturados, e não somente da sua composição. Embora esses materiais sejam mais conhecidos por lidar com ondas eletromagnéticas, a pesquisa demonstrou que o conceito vai muito além.
O grupo liderado por Xin Fang combinou essa estruturação com o uso de torção. Isso permitiu alcançar uma densidade de energia elástica muito superior à de outros materiais. Ou seja, o novo metamaterial consegue absorver e liberar grandes quantidades de energia eficientemente.
Hastes torcidas intensamente: Energia mecânica em destaque
A energia mecânica está presente em vários dispositivos do dia a dia. Molas, hastes flexíveis e amortecedores funcionam com base nesse tipo de energia. São elementos fundamentais na absorção de impactos, no armazenamento de energia e no funcionamento de diversos mecanismos.
Com os novos metamateriais torcidos, a eficiência dessas tecnologias pode melhorar muito. Eles também podem permitir aplicações completamente novas, graças à sua capacidade de armazenar energia com mais intensidade.
O papel da entalpia
Uma das palavras-chave dessa pesquisa é entalpia. Trata-se da densidade de energia que pode ser armazenada e depois recuperada em cada componente do material. Os elementos do metamaterial, chamados de meta-átomos, foram projetados para aproveitar ao máximo esse potencial.
O professor Peter Gumbsch, um dos envolvidos no estudo, explicou que a principal dificuldade era combinar propriedades que geralmente entram em conflito: rigidez, resistência e deformação.
“Primeiramente, detectamos um mecanismo para armazenar uma grande quantidade de energia em uma haste redonda simples sem quebrá-la ou deformá-la permanentemente,” contou Gumbsch. “Ao definir um arranjo inteligente das hastes, então integramos esse mecanismo em um metamaterial.“
A equipe então organizou essas hastes de forma estratégica dentro de uma estrutura. O resultado foi um material que pode ser usado em larga escala, mantendo suas propriedades sob pressão.
Diferença entre torção e flexão
Molas tradicionais funcionam com flexão. Mas esse tipo de deformação tem limites. As tensões se concentram nas superfícies superior e inferior da mola, o que pode levar à quebra ou a danos permanentes. O volume interno da mola, nesses casos, praticamente não participa do armazenamento de energia.
Com a torção, é diferente. Toda a superfície da haste a a ser usada para ar tensões. Isso reduz a área interna que não é aproveitada. Para isso funcionar bem, a torção precisa ser alta, criando uma forma helicoidal. Foi exatamente esse conceito que os pesquisadores conseguiram aplicar.
Resultados promissores das novas molas
O novo material mostrou desempenho muito superior aos metamateriais quirais espelhados testados pela mesma equipe. As novas molas resultantes apresentaram entalpia de 2 a 160 vezes maior, indicando um avanço em termos de armazenamento de energia elástica.
Peter Gumbsch destacou a versatilidade do resultado. “Nossos novos metamateriais, com sua alta capacidade de armazenamento de energia elástica, têm o potencial de serem usados em várias áreas no futuro, onde tanto o armazenamento eficiente de energia quanto propriedades mecânicas excepcionais são necessárias.”
A pesquisa abre caminho para o desenvolvimento de soluções mais eficientes em diferentes setores, usando uma abordagem estrutural inovadora baseada na torção.
Com informações de Inovação Tecnológica.
