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Técnica Zero a 300

Baterias estruturais podem ser a solução para reduzir o peso dos carros elétricos – mas será viável?

Em 1967 a Lotus conseguiu um feito que revolucionaria para sempre o automobilismo: com o Lotus 49, os britânicos foram os primeiros a conseguir utilizar o conjunto mecânico de um monoposto como componente estrutural com sucesso. O V8 Cosworth DFV – um dos motores mais importantes da história do automobilismo, com mais de três décadas de utilização em categorias grandes do automobilismo, como a Fórmula 1, a Indy e o WSC – recebia os pontos de fixação dos componentes da suspensão atrás, na carcaça do câmbio, enquanto a parte da frente era conectada ao monocoque.

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Desta forma conseguia-se reduzir peso e, ao mesmo tempo, aumentar a rigidez estrutural do carro. A solução foi tão eficaz que em pouco tempo as outras equipes estavam fazendo a mesma coisa, e a utilização do motor como componente estrutural tornou-se a norma da Fórmula 1 até hoje. Carros de rua mais extremos também adotaram este método de construção, como a Ferrari F50 e, para dar um exemplo contemporâneo, o Mercedes-AMG One.

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Falar em “acúmulo de funções” pode parecer algo negativo, mas quando se trata de engenharia automotiva, conseguir fazer com que um componente ou um sistema tenha mais de uma aplicação dentro do conjunto quase sempre resulta em, ao menos, um grande benefício: a redução de peso. E isso, claro, não vale apenas para os carros de competição. Hoje em dia, por exemplo, uma grande questão na indústria automotiva é como reduzir o peso dos carros elétricos. Considerando que o coração do projeto de um carro elétrico não é o motor, mas sim as baterias, seria possível aplicar a elas uma variação do conceito de motor como componente estrutural a elas? Sim, você entendeu direito: é possível fazer uma bateria estrutural?

Há certa urgência, por parte da indústria automotiva, em colocar os carros elétricos no mainstream da sociedade. Isto também vale para os híbridos, claro, mas vamos nos concentrar nos puramente elétricos – os chamados “zero-emissões” que não utilizam qualquer tipo de motor a combustão interna e utilizam como única fonte de energia a eletricidade armazenada em suas baterias.

O peso dos conjuntos de baterias atualmente é um dos maiores obstáculos para o desenvolvimento dos carros elétricos. É física simples: com mais peso, o motor de um carro – elétrico ou de combustão interna – faz mais esforço para tirá-lo da imobilidade, o que aumenta o consumo de energia ou de combustível. É por isto que as pesquisas em busca de materiais mais leves para as baterias são de vital importância para que os veículos elétricos deixem de ser um segmento de nicho. Isto posto, existe a possibilidade de que a solução para o problema do peso e do posicionamento das baterias esteja em repensá-las completamente. Como? Transformando-as em parte da carroceria.

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É o que dizem pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia. De acordo com seu estudo, divulgado no mês passado, é possível transformar a fibra de carbono utilizada na construção da estrutura e/ou da carroceria de um automóvel em uma grande bateria.

Não foi uma ideia que surgiu do nada: já faz alguns anos que o carbono é utilizado como componente na fabricação de baterias – geralmente em forma de grafite, servindo como eletrodo positivo, enquanto um metal como o lítio é utilizado como eletrodo negativo. Colocando de forma bastante simplificada, os íons de lítio navegam pelo eletrólito da bateria e depositam-se na estrutura atômica do carbono. No processo, geram energia elétrica – a carga da bateria. Quando esta energia elétrica é utilizada, os íons de lítio se desprendem do grafite e voltam a se integrar aos átomos de lítio, descarregando a bateria.

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O time de pesquisadores suecos, liderados pelo professor de mecânica computacional e de materiais Leif Asp, concentrou seus esforços em determinar a estrutura ideal dos átomos de carbono para cumprir ambas as funções: servir como eletrodo negativo em uma bateria e, ao mesmo tempo, formar a estrutura para um polímero compósito. Em outras palavras: encontrar uma forma de dar às baterias o formato ideal para que elas possam ser utilizadas como componente estrutural na construção de automóveis. Desta forma, de acordo com o professor Asp, existe potencial para reduzir o peso de um veículo elétrico – seja ele um carro ou um avião – em até 50%.

Não é uma tarefa tão simples quanto soa, porém. Isto porque existe uma relação delicada entre a rigidez de uma bateria e suas proriedades eletroquímicas – entre elas, sua capacidade de armazenar energia. Fibras de carbono com partículas pequenas e dispersas são excelentes para armazenar energia, porém apresentam rigidez muito baixa. No outro extremo, fibras com partículas grandes e bem organizadas são muito mais rígidas, porém possuem pouca capacidade de armazenar eletricidade.

Em seu artigo Multifunctional Materials, publicado em agosto de 2018, os pesquisadores explicam que uma boa bateria de fibra de carbono – a ponto de ser viável como componente estrutural em um carro – é um pouco mais rígida do que o aço, porém cerca de dez vezes menos rígida do que a fibra de carbono utilizada atualmente pela indústria. Que, na prática, é feita sob medida para utilização em aeronaves – e muito mais rígida do que realmente é necessário para sua aplicação em um automóvel comum.

Trocando em miúdos, em teoria é possível criar uma fibra de carbono um pouco mais rígida do que o aço e aplicá-la na fabricação de baterias que possam ser utilizadas como componente estrutural em automóveis. Fazendo uma projeção, o professor Asp afirmou que as baterias estruturais talvez jamais sejam tão eficientes quanto baterias tradicionais na hora de armazenar energia, porém compensariam em outros aspectos: com menos densidade energética e sem componentes voláteis, elas seriam mais seguras do que as baterias que existem atualmente.

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Agora, não é de hoje que se fala em utilizar baterias como componentes estruturais: já em 2012 a Lola Cars, uma das maiores e mais tradicionais fabricantes de carros de corrida do planeta, apresentou o Lola-Drayson, protótipo de um bólido elétrico com baterias tradicionais montadas no assoalho e uma bateria adicional na traseira, atuando como componente estrutural e defletor aerodinâmico. O maior obstáculo, atualmente, é encontrar o sweet spot entre rigidez estrutural e capacidade de armazenamento de energia, a ponto de justificar o investimento nas pesquisas.

Embora pareça meio triste comparar o desenvolvimento de uma bateria capaz de atuar também como componente estrutural ao advento do Lotus 49, conceitualmente as ideias são muito semelhantes: dar pluraridade de fins aos elementos de um automóvel de modo a reduzir seu peso e aumentar sua eficiência.

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