A impressão 3D expande as possibilidades de energia renovável

Os recursos naturais da Terra não são ilimitados e a busca por alternativas está aumentando. Combustíveis fósseis como carvão, gás natural, propano e outras soluções baseadas em carbono vêm com uma bagagem considerável, incluindo volatilidade tanto no preço quanto na disponibilidade. Historicamente, os chamados eventos do cisne negro, incluindo a invasão da Ucrânia, causaram grandes oscilações de preços nos produtos dos quais as indústrias e os consumidores dependem. Além disso, existem as questões onipresentes de gases de efeito estufa e outros poluentes ligados à queima de combustíveis fósseis.

Tanto as empresas quanto os consumidores estão cada vez mais procurando soluções caseiras que proporcionem estabilidade no preço e na disponibilidade. Para empresas maiores - especialmente serviços públicos - geotérmica pode ser uma dessas respostas. Apelidado de "o sol sob nossos pés", os sistemas geotérmicos aproveitam o calor extremo da terra para girar turbinas e criar eletricidade limpa e confiável. Embora você precise ir fundo — bem fundo — para chegar às camadas que fornecem calor suficiente para girar as turbinas, os benefícios são claros: as fontes geotérmicas são consistentes e não são afetadas por turbulências políticas e econômicas.

Percebendo isso, o Departamento de Energia (DoE) lançou o American-Made Geothermal Manufacturing Prize em 2020, que oferece mais de US$ 4,6 milhões para aumentar a pesquisa desse recurso renovável, com foco na manufatura aditiva (AM), ou impressão 3D, para mover o campo para a frente. Em 2022, a Downhole Emerging Technologies (DET), com sede em Houston, levou para casa um dos dois grandes prêmios de US$ 500.000 pelo desenvolvimento de uma nova forma de sistema packer – um elemento crítico que regula o fluxo de calor e vapor em poços geotérmicos. A conquista não teria sido possível sem AM.

Uma coisa a lembrar é que a Terra é tudo menos hospitaleira nessas profundezas. Entre temperaturas extremas de até 700° F (371° C) - o suficiente para derreter alguns metais - e ambientes altamente corrosivos, você precisa encontrar os materiais e geometrias de peças corretos para suportar tal abuso. Isso requer modelagem, teste e iteração para determinar a eficácia de cada parte.

Os fundadores da DET, Ken Havlinek e Tingji "TJ" Tang, trabalharam durante anos na indústria de petróleo e gás. Como os poços nessas aplicações são mais rasos, seus packers normalmente são feitos de borracha ou plástico – materiais que derreteriam no calor da Terra profunda. Para esta competição, os parceiros portaram os seus conhecimentos para o domínio da energia geotérmica e desenharam uma solução elegante, e um novo desafio para a impressão 3D.

No passado, algumas dessas peças podem ter sido fabricadas usando usinagem CNC ou moldagem por injeção. Embora ambos sejam peças excelentes, o processo de ajustar os designs para alcançar os resultados desejados é mais complexo. Com a moldagem, você precisa fazer uma nova ferramenta (molde) para cada iteração, o que é demorado e caro.

Após uma avaliação cuidadosa, o DET achou que seria possível imprimir algumas de suas peças, inclusive o empacotador. A impressão também fazia sentido porque o tempo era curto. Os prazos eram iminentes e a impressão 3D oferecia a oportunidade de iterar e melhorar rapidamente os designs das peças. Como um veterano da indústria de petróleo e gás, Havlinek admitiu que a AM inicialmente não tinha entrado em sua mente para fabricar o packer e algumas das outras peças, mas o prêmio DOT o ajudou a ver suas ideias de uma nova maneira.

"Como eu, os especialistas que estão trabalhando nesses desafios geotérmicos não necessariamente apreciam ou entendem o valor que a manufatura aditiva pode trazer", reconheceu Havlinek. Graças ao aconselhamento rápido de projeto para fabricação da Protolabs, o DET pôde experimentar vários materiais, ajustar geometrias e ver os resultados em poucos dias.

Era certo que as peças tinham que ser feitas de metal. Nada mais sobreviveria no ambiente subterrâneo superaquecido e corrosivo. Isso significava usar a sinterização direta a laser de metal (DMLS), um processo de impressão que usa metais em pó como material de base para construir uma peça camada por camada, soldando minúsculos grãos de pó de metal por um laser de alta potência. Essencialmente, o laser desenha a peça no leito de pó até que todas as camadas tenham sido formadas e a peça esteja completa.