O alumínio reprojetado pode ajudar a suprir a demanda por cobre?

Gregory Barber

Considere, por um momento, o fio elétrico, uma tecnologia difundida que é extremamente fácil de esquecer. Enrolados dentro de nossos aparelhos, enrolados em nossas paredes, espalhados por nossas ruas, milhões de toneladas de finos fios metálicos fazem o trabalho de eletrificar o mundo. Mas o trabalho deles é benigno e tão naturalista que nem parece tecnologia. Os fios movem elétrons simplesmente porque é isso que os metais fazem quando uma corrente é fornecida a eles: eles conduzem.

Mas sempre há espaço para melhorias. Os metais conduzem eletricidade porque contêm elétrons livres que não estão presos a nenhum átomo em particular. Quanto mais elétrons fluem, e quanto mais rápido eles vão, melhor o metal conduz. Então, para melhorar essa condutividade – crucial para preservar a energia produzida em uma usina ou armazenada em uma bateria – os cientistas de materiais estão normalmente em busca de arranjos atômicos mais perfeitos. Seu principal objetivo é a pureza - remover quaisquer pedaços de material estranho ou imperfeições que interrompam o fluxo. Quanto mais um pedaço de ouro for ouro, quanto mais um fio de cobre for cobre, melhor ele conduzirá. Qualquer outra coisa só atrapalha.

"Se você quer algo realmente altamente condutor, então você só precisa ficar puro", diz Keerti Kappagantula, cientista de materiais do Pacific Northwest National Lab. É por isso que ela considera sua própria pesquisa um tanto "instável". Seu objetivo é tornar os metais mais condutores, tornando-os menos puros. Ela pega um metal como o alumínio e adiciona aditivos como grafeno ou nanotubos de carbono, produzindo uma liga. Faça isso da maneira certa, descobriu Kappagantula, e o material extra pode ter um efeito estranho: pode empurrar o metal além de seu limite teórico de condutividade.

O objetivo, neste caso, é criar um alumínio que possa competir com o cobre em dispositivos elétricos – um metal que é quase duas vezes mais condutor, mas também custa cerca do dobro. O alumínio tem vantagens: é muito mais leve que o cobre. E como o metal mais abundante na crosta terrestre – mil vezes mais do que o cobre – também é mais barato e fácil de desenterrar.

O cobre, por outro lado, está ficando mais difícil de obter à medida que o mundo faz a transição para uma energia mais verde. Embora onipresente há muito tempo em fiação e motores, a demanda por ele está aumentando. Um veículo elétrico usa cerca de quatro vezes mais cobre do que um carro convencional, e ainda mais será necessário para os componentes elétricos das usinas de energia renovável e os fios que as conectam à rede. Analistas da Wood Mackenzie, uma empresa de pesquisa focada em energia, estimaram que os parques eólicos offshore demandarão 5,5 megatons do metal em 10 anos, principalmente para o enorme sistema de cabos dentro dos geradores e para transportar os elétrons que as turbinas produzem para a costa. Nos últimos anos, o preço do cobre disparou e os analistas projetam um déficit crescente do metal. O Goldman Sachs declarou recentemente que é "o novo petróleo".

Algumas empresas já estão trocando-o por alumínio onde podem. Nos últimos anos, houve uma mudança multibilionária nos componentes de tudo, desde condicionadores de ar até peças de automóveis. As linhas de alta tensão já usam fios de alumínio, porque são baratos e leves, o que permite que sejam estendidos em distâncias maiores. Esse alumínio é tipicamente em sua forma mais pura e altamente condutora.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Mas essa conversão desacelerou recentemente - em parte porque a troca já foi feita para as aplicações em que o alumínio faz mais sentido, diz Jonathan Barnes, principal analista dos mercados de cobre da Wood Mackenzie. Para uso em uma gama mais ampla de aplicações elétricas, a condutividade é o principal limite. É por isso que pesquisadores como Kappagantula estão tentando fazer a reengenharia do metal.

Os engenheiros geralmente projetam ligas para melhorar as outras qualidades de um metal, como resistência ou flexibilidade. Mas essas misturas são menos condutoras do que o material puro. Mesmo que um determinado aditivo seja especialmente bom no transporte de eletricidade (que é o caso dos materiais à base de carbono com os quais Kappagantula trabalha), os elétrons dentro da liga normalmente têm problemas para pular de um material para outro. As interfaces entre eles são os pontos de atrito.