Notícia

Nos EUA, startups desenvolvem soluções para mitigar o impacto ambiental dos processos de fabricação industrial

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

domingo, 1 janeiro 2023 12:25

Áreas

Biotecnologia. Engenharia Ambiental. Gestão Ambiental. Gestão de Resíduos. Impacto Ambiental. Indústria. Inovação. Materiais. Nanotecnologia. Qualidade da Água. Química Verde. Sustentabilidade. Tecnologias.

A lei CHIPS and Science Act, assinada em agosto de 2022 nos EUA, inclui um investimento histórico para aumentar a produção de semicondutores fabricados no país, enfrentar as vulnerabilidades da cadeia de suprimentos para fabricar mais produtos nos EUA, revitalizar a pesquisa científica e a liderança tecnológica do país e fortalecer a segurança econômica e nacional internamente e no exterior.

De acordo com o Dr. John Hart, professor de Engenharia Mecânica e diretor do Laboratório de Manufatura e Produtividade do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), a Lei CHIPS é apenas o exemplo mais recente do aumento significativo do interesse na indústria nos últimos anos.

“Você tem várias forças trabalhando juntas: reflexos do impacto da pandemia nas cadeias de suprimentos, a situação geopolítica em todo o mundo e a urgência e importância da sustentabilidade. Isso agora alinhou os incentivos entre o governo, a indústria e a comunidade de investimentos para acelerar a inovação em manufatura e tecnologia industrial”, destacou o professor John Hart. Mas, de mãos dadas com esse foco maior na fabricação, há também a necessidade de priorizar a sustentabilidade.

Aproximadamente um quarto das emissões de gases de efeito estufa veio da indústria de manufatura em 2020. As fábricas também podem esgotar as reservas locais de água e gerar grandes quantidades de resíduos, alguns dos quais podem ser tóxicos.

Para abordar essas questões e impulsionar a transição para uma economia de baixo carbono, novos produtos e processos industriais devem ser desenvolvidos juntamente com tecnologias de fabricação sustentáveis. O professor Hart vê os engenheiros mecânicos desempenhando um papel crucial nessa transição: “Os engenheiros mecânicos podem resolver problemas críticos de forma exclusiva que exigem tecnologias de hardware de última geração e saber como dimensionar suas soluções”, disse o pesquisador.

Várias startups fundadas por professores e ex-alunos do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT oferecem soluções para o problema ambiental da manufatura, abrindo caminho para um futuro mais sustentável.

Gradiant: soluções de água Cleantech

A fabricação requer água, e muita. Uma fábrica de semicondutores de tamanho médio usa mais de 38 milhões de litros de água por dia. Num mundo cada vez mais assolado por secas, esta dependência da água representa um grande desafio.

A startup Gradiant oferece uma solução para este problema de água. Cofundada por Anurag Bajpayee e Prakash Govindan, a empresa é pioneira em projetos sustentáveis – ou ‘cleantech’ – de água.

Como estudantes de doutorado no Laboratório de Transferência de Calor do MIT, Bajpayee e Govindan trabalharam em pesquisa sobre dessalinização. Inspirado por uma infância passada durante uma seca severa em Chennai, na Índia, Prakash Govindan desenvolveu em seu doutorado uma tecnologia de umidificação-desumidificação que imitava os ciclos naturais de chuva. Foi com essa tecnologia, batizada de Carrier Gas Extraction (CGE), que a dupla fundou a Gradiant em 2013.

A chave para o CGE está em um algoritmo proprietário que considera a variabilidade na qualidade e quantidade na alimentação de águas residuais. No coração do algoritmo está um número adimensional, que Govindan propõe um dia ser chamado de ‘Número de Lienhard’, em homenagem a seu orientador de doutorado.

“Quando a qualidade da água varia no sistema, nossa tecnologia envia automaticamente um sinal para os motores dentro da usina para ajustar as taxas de fluxo para trazer de volta o número adimensional para um valor de um. Uma vez que é trazido de volta ao valor de um, você está funcionando em ótimas condições”, explicou Govindan, que atua como diretor de operações da Gradiant.

Este sistema pode tratar e limpar as águas residuais produzidas por uma fábrica para reutilização, economizando milhões de litros de água a cada ano.

À medida que a empresa cresceu, a equipe da Gradiant adicionou novas tecnologias ao seu arsenal, incluindo a extração seletiva de contaminantes, um método econômico que remove apenas contaminantes específicos e um método de concentração de salmoura chamado osmose reversa de contrafluxo. Eles agora oferecem uma gama completa de tecnologias para tratamento de água e efluentes para clientes em setores como farmacêutico, energia, mineração, alimentos e bebidas e a crescente indústria de semicondutores.

Via Separations: Filtragem química eficiente

Shreya Dave se concentrou na dessalinização em sua tese de doutorado. Sob a orientação do Dr. Jeffrey Grossman, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, Dave construiu uma membrana que poderia permitir uma dessalinização mais eficiente e barata.

Uma análise minuciosa de custo e mercado levou Dave à conclusão de que a membrana de dessalinização que ela desenvolveu não chegaria à comercialização. “As tecnologias atuais são realmente boas no que fazem. Elas são de baixo custo, produzidas em massa e funcionaram. Não havia espaço no mercado para nossa tecnologia”, disse Dave.

Pouco depois de defender sua tese, ela leu um artigo na revista Nature que mudou tudo. O artigo delineou um problema: as separações químicas que são essenciais para muitos processos de fabricação requerem uma grande quantidade de energia. A indústria precisava de membranas mais eficientes e baratas. Dave pensou que ela poderia ter uma solução.

Depois de determinar que havia uma oportunidade econômica, Dave e colegas fundaram a Via Separations em 2017. Pouco depois, eles foram escolhidos como uma das primeiras startups a receber financiamento da empresa de risco do MIT, a The Engine.

Atualmente, a filtração industrial é feita pelo aquecimento de produtos químicos em temperaturas muito altas para separar os compostos. Dave compara isso a fazer macarrão fervendo toda a água até que ela evapore e tudo o que resta é o macarrão. Na fabricação, esse método de separação química é extremamente intensivo em energia e ineficiente.

A Via Separations criou o equivalente químico de um ‘coador de macarrão’. Em vez de usar calor para separar, suas membranas permitem a interação entre compostos químicos. Este método de filtragem química usa 90% menos energia do que os métodos padrão.

Enquanto a maioria das membranas é feita de polímeros, as membranas da Via Separations são feitas com óxido de grafeno, que pode suportar altas temperaturas e condições adversas. A membrana é calibrada de acordo com as necessidades do cliente, alterando o tamanho dos poros e ajustando a química da superfície.

VulcanForms: manufatura aditiva em escala industrial

O primeiro semestre que o Dr. John Hart lecionou no MIT rendeu bastante. Ele ministrou um curso sobre impressão 3D. Embora não fosse seu principal foco de pesquisa na época, ele achou o tema fascinante. O mesmo aconteceu com muitos dos alunos da classe, incluindo Martin Feldmann.

Depois de se formar  em manufatura avançada, Feldmann se juntou ao grupo de pesquisa do professor Hart em tempo integral. Lá, eles criaram um conceito para realizar impressão 3D de metais em escala industrial. Eles fundaram a VulcanForms em 2015.

“Desenvolvemos uma arquitetura de máquina para impressão 3D de metal que pode construir peças com qualidade e produtividade excepcionais. E integramos nossas máquinas em um sistema de produção totalmente digital, combinando impressão 3D, pós-processamento e usinagem de precisão”, explicou o professor Hart.

Ao contrário de outras empresas que vendem impressoras 3D para outros produzirem peças, a VulcanForms fabrica e vende peças para seus clientes usando sua frota de máquinas industriais. A VulcanForms cresceu para quase 400 funcionários. No ano passado, a equipe abriu sua primeira fábrica de produção, conhecida como ‘VulcanOne’, em Devens, Massachusetts.

A qualidade e precisão com que a VulcanForms produz peças é crítica para produtos como implantes médicos, trocadores de calor e motores de aeronaves. Suas máquinas podem imprimir camadas de metal mais finas que um fio de cabelo humano.

LiquiGlide: reduzindo o desperdício removendo o atrito

Existe um culpado improvável quando se trata de desperdício na fabricação e produtos de consumo: o atrito. O Dr. Kripa Varanasi, professor de Engenharia Mecânica do MIT, e a equipe da empresa LiquiGlide têm a missão de criar um futuro sem atrito e reduzir substancialmente o desperdício no processo.

Fundada em 2012 por Varanasi e por David Smith, a LiquiGlide projeta revestimentos personalizados que permitem que os líquidos ‘deslizem’ nas superfícies. Até a última gota de um produto pode ser usado, seja espremido de um tubo de pasta de dente ou drenado de um tanque de 500 litros em uma fábrica. Tornar os recipientes sem atrito minimiza substancialmente o desperdício de produto e elimina a necessidade de limpar um recipiente antes de reciclar ou reutilizar.

Desde o lançamento, a empresa obteve grande sucesso em produtos de consumo. O cliente Colgate utilizou as tecnologias da LiquiGlide no design do frasco de creme dental Colgate Elixir, que foi homenageado com vários prêmios da indústria por design. Em colaboração com o designer de renome mundial Yves Béhar, a LiquiGlide está aplicando sua tecnologia em embalagens de produtos de beleza e cuidados pessoais. Enquanto isso, a agência Food and Drug Administration (FDA) dos EUA concedeu à empresa um Device Master Filing, abrindo oportunidades para que a tecnologia seja usada em dispositivos médicos, administração de medicamentos e biofarmacêuticos.

A tecnologia LiquiGlide funciona criando um revestimento feito de um lubrificante sólido e líquido texturizado na superfície do recipiente. Quando aplicado a um recipiente, o lubrificante permanece na textura. As forças capilares se estabilizam e permitem que o líquido se espalhe na superfície, criando uma superfície continuamente lubrificada na qual qualquer material viscoso pode deslizar. A empresa usa um algoritmo termodinâmico para determinar as combinações de sólidos e líquidos seguros dependendo do produto, seja pasta de dente ou tinta, por exemplo

A empresa construiu um sistema robótico de pulverização que pode tratar grandes cubas e tanques em fábricas no local. Além de economizar milhões de dólares para as empresas em produtos desperdiçados, a LiquiGlide reduz drasticamente a quantidade de água necessária para limpar regularmente esses recipientes, que normalmente têm produtos presos nas laterais.

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Mary Beth Gallagher, Departamento de Engenharia Mecânica, MIT. Imagem: Gradiant.