Gálio metálico: um aliado estratégico para a economia de energia
Autor(a): Waldemar Avritscher
O gálio metálico é um material estratégico que há décadas vem chamando a atenção de cientistas e profissionais da área tecnológica por suas aplicações, principalmente no campo das telecomunicações. Os chips construídos em arseneto de gálio operam de forma muito mais veloz e com grande economia de energia em relação aos construídos em silício. Por isso, foram inicialmente empregados em equipamentos de uso militar e depois nos sistemas de telefonia celular.
Em anos mais recentes, as aplicações dos compostos de gálio, particularmente do nitreto de gálio, têm aumentado ainda mais a importância desse metal. Seus LEDs (light emitting diod – diodos emissores de luz) apresentam inúmeras aplicações na área de iluminação. Investimentos de centenas de milhões de dólares durante anos têm se refletido, inclusive, nos preços internacionais do metal e na procura por novas fontes de abastecimento.
Ao contrário do que possa parecer, o gálio não é um metal raro como o ouro ou até mesmo como o mercúrio. Suas concentrações na crosta terrestre são semelhantes às do chumbo e do arsênio. Mas devido às suas propriedades químicas, o gálio não ocorre na forma de jazidas de altas concentrações. Trata-se, sim, de um metal de obtenção relativamente complexa. As principais fontes são as jazidas de alumínio e zinco, de onde o gálio é obtido como subproduto.
Como grande fonte mundial de alumínio, no Brasil também existem importantes reservas de gálio. Porém, até o momento não há nenhuma unidade de produção ou de recuperação do metal em nosso País.
O semáforo de LED proporciona mais segurança ao condutor do veículo,
que terá mais facilidade para identificar se ele está aberto ou fechado. A disposição dos LEDs distribui melhor a luz, aumentando a luminosidade. (Imagem cedida pelo Projeto de Inovação Tecnológica do Centro em Pesquisa em Óptica e Fotônica - Cepof, coordenado pelo Prof. Dr. Vanderlei Salvador Bagnato, USP/São Carlos).
Obtenção - O processo Bayer para obtenção de alumina a partir da bauxita consiste em dissolver o minério em excesso de soda cáustica, precipitar a alumina e reciclar a solução de soda. Nesse processo, 70% do metal presente no minério são extraídos, mas após a dissolução a maior fração do gálio não precipita junto com a alumina e é reciclada com a soda. Ocorre assim uma concentração de gálio no ciclo dissolução de bauxita - solução alcalina de aluminato - precipitação da alumina. A solução de soda cáustica, após a precipitação da alumina e, com uma relação Ga/Al mais favorável, segue para a unidade de recuperação do gálio antes de ser devolvida ao ciclo para nova dissolução da bauxita. Como a solução alcalina é reciclada continuamente para o aproveitamento dos altos teores de hidróxido de sódio presentes, os teores de gálio aumentam até atingir a concentração de equilíbrio (0,20g/L).
Nos laboratórios do Departamento de Minas e de Petróleo da Escola Politécnica da USP foi desenvolvida, no período 1995 a 2003, uma tecnologia para produção de gálio metálico de alta pureza. O projeto teve apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e da Companhia Brasileira de Alumínio (CBA), do Grupo Votorantim. A tecnologia empregada foi a extração do gálio com resinas de troca iônica quelantes de amidoxima. O processo para síntese da resina foi desenvolvido nos laboratórios do IMA – Instituto de Macromoléculas “Professora Eloísa Mano”, da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Após a extração, o gálio é removido da resina com ácido clorídrico 0,5N, processado para a remoção dos resíduos orgânicos, concentrado e depositado sobre eletrodos de aço inoxidável 316L previamente polidos mecânica e eletricamente. As análises realizadas tanto no Brasil como no exterior indicaram um produto de altíssima pureza. Após sua purificação, o gálio em mistura com arsênio, fósforo ou índio é depositado sobre uma estrutura monocristalina. A forma de deposição é chamada de deposição epitaxial, por obedecer a mesma orientação cristalina da base. Uma das técnicas mais comuns de deposição é a VPE (Vapor-phase Epitaxy) bastante versátil. Atual mente, usa-se a deposição por meio de vapores de compostos organometálicos como trimetilgalio, trimetilalumínio e trimetilindio. Esta técnica é conhecida como MOVPE (Metal Organic Vapor-phase Epitaxy).
O Gálio e os LEDs - Um LED é um diodo, um semicondutor que transforma corrente elétrica em luz emitida. O diodo é considerado um semicondutor muito simples. Uma lâmina de silício monocristalino pode receber a dopagem de um composto de fósforo. Como o silício é tetravalente e o fósforo é pentavalente forma-se uma nuvem com excesso de elétrons e, portanto, negativa. Se nesta mesma lâmina for depositado um composto de boro trivalente forma-se uma estrutura com carência de elétrons (buraco) e, portanto, positiva. Esta estrutura só conduzirá eletricidade em um sentido.
Os semicondutores são construídos sobre uma superfície especial. Um material muito usado hoje em dia é uma lâmina de silício monocristalino. Os LEDs mais sofisticados são construídos sobre um cristal de safira.
Os LEDs mais antigos eram constituídos de arseneto de gálio ou de fosfeto de gálio e emitiam luz vermelha. As pesquisas durante os anos 1980 e 1990 permitiram criar semicondutores à base de compostos de fosfeto de gálio e alumínio, arseneto de índio e gálio e outros compostos de gálio que emitiam luz praticamente em todo o espectro visível. Milhões de dólares têm sido investidos para que as empresas possam obter LEDs que emitam luz azul e sejam comercialmente viáveis. Este dia parece estar muito próximo, mas ainda há obstáculos a transpor. Os LEDs atuais ainda são muito caros para uso doméstico. Mas, em algumas aplicações seus efeitos são fantásticos.
Na cidade de Guarujá, a prefeitura substituiu 49 semáforos pela tecnologia de diodos emissores de luz de alto brilho em sete cruzamentos. Além de reduzir o consumo de energia em até 80%, os novos semáforos ajudarão na prevenção de acidentes, pois a tecnologia proporciona uma iluminação mais brilhante em cada refletor (vermelho, amarelo e verde), diminuindo o "efeito fantasma" muito comum nos semáforos com lâmpadas incandescentes. Sua durabilidade também é muito importante nesta aplicação, pois a previsão de uso é de até 60 mil horas.
Economia de energia - O 4º relatório de avaliação do painel intergovernamental sobre mudanças climáticas com base nas ciências físicas, aprovado em Paris, em fevereiro de 2007, indica claramente os fatores humanos causadores do chamado Forçamento Radiativo (FR). Este relatório mostra que o dióxido de carbono (CO2) é o principal fator do efeito estufa e que a maior fonte desse gás é a geração de energia elétrica. Diz o relatório que os aumentos globais da concentração de CO2 decorrem, principalmente, do uso de combustíveis fósseis e do desmatamento. Já os aumentos da concentração de metano e de óxido nitroso são causados, principalmente, pelas atividades agrícolas.
No quadro apresentado a seguir aparecem em vermelho os fatores positivos de FR que contribuem para o aquecimento do planeta. Em azul aparecem os fatores que contribuem para o resfriamento. A última coluna indica o Nível de Compreensão Científica (NCC) do fenômeno, que como se pode verificar, é ainda baixo em muitos casos.
Fatores positivos e negativos que afetam o Forçamento Radiativo
Fonte: Climate change 2007: The Physical Science Basis.
(*) Albedo – relação entre a luz recebida e a luz emitida por um objeto
Efeito estufa - Como se pode deduzir do quadro apresentado abaixo, a contribuição do CO2 nas mudanças climáticas e, em particular, no Forçamento Radiativo Positivo, o “efeito estufa”, é maior do que a soma de todos os outros efeitos. Os principais países desenvolvidos e a China dependem de usinas térmicas para a geração de energia. Mesmo na Europa, onde há uma importante geração de energia nuclear, a queima de combustíveis fósseis é um componente vital para a produção de energia. Em 2005, nos países da União Européia, cerca de 35% da eletricidade eram gerados por energia nuclear. Portanto, 65% da eletricidade ainda dependiam de combustíveis fósseis ou de hidrelétricas. Como podemos observar na ilustração sobre porcentagem de participação de cada fonte no total de energia no mundo, a previsão é de que o mundo continuará dependendo dos combustíveis fósseis por muitos anos.
Fonte: Source: Energy Information Administration, Annual Energy Outlook, 2004
Como economizar energia - Uma área onde a economia de energia tem alcançado grande sucesso em anos recentes é a iluminação, tanto residencial como industrial e pública. Aquela lâmpada incandescente conhecida por todos desde a infância e que tornou Thomas Edison famoso tem seus dias contados. Ela é constituída por um fio de tungstênio envolvido por um bulbo de vidro que mantém o sistema sob vácuo. Esta lâmpada transforma apenas 5% da energia consumida em luz e 95 % da energia são desperdiçados em forma de calor. Recentemente, a Sylvania fechou a sua fábrica em Vinhedo (SP), assim com a General Electric já havia fechado sua fábrica no Rio de Janeiro por falta de mercado para esse tipo de lâmpada.
Um artigo recentemente publicado no The Economist informa que a União Européia decidiu que a lâmpada incandescente será progressivamente substituída até sua eliminação total em 2012. Nos Estados Unidos, esta lâmpada deverá deixar o mercado a partir de 2014. Sua substituta, por hora, deverá ser a lâmpada fluorescente compacta – LFC. Esta lâmpada, usada no mundo inteiro, é muito mais econômica do ponto de vista do aproveitamento da energia consumida (cerca de 20% a 30%), embora as propagandas digam que é muito mais.
A LFC, porém, apresenta alguns problemas graves. O mecanismo de funcionamento da lâmpada fluorescente é o seguinte: ao ser ligada à corrente elétrica, o vapor de mercúrio que há em seu interior passa a emitir luz ultravioleta, excitando o fósforo existente em suas paredes internas. A luz emitida decorre dessa reação. Este tipo de lâmpada necessita de mercúrio para funcionar, o que por si só já é um inconveniente. Também a luz ultravioleta emitida é considerada um fator negativo para a saúde humana. Sua luz branca, embora seja adequada para o uso comercial, não é própria para uso residencial já que uma iluminação mais natural deveria ser preferida. Assim, o que se espera para um futuro próximo é a popularização da iluminação gerada pelos LEDs.
Aplicações - Se a iluminação utilizada atualmente for substituída pela iluminação por LEDs haverá uma economia global de aproximadamente um terço da energia atualmente gasta para este fim. Isso representa uma redução no consumo total de energia de aproximadamente 10% e uma economia equivalente em emissão de CO2. Mas para isso é necessário que um LED passe a custar uns cinco dólares (cerca de nove reais).
Atualmente, os LEDs azuis e verdes, inclusive os utilizados em semáforos, são fabricados em máquinas semelhantes às usadas para construir chips de silício, pelo depósito de camadas de nitreto de gálio sobre lâminas de safira. A safira resiste ao processo, que exige um aquecimento inicial de até 1000ºC. O resfriamento até a temperatura ambiente não provoca alterações em sua estrutura e nem defeitos internos. No entanto, a safira custa caro.
Pesquisadores do Birck Nanotechnology Center, da Universidade de Purdue (Indiana/EUA), desenvolveram uma nova tecnologia capaz de resolver os problemas tecnológicos dos LEDs e reduzir enormemente seu custo. Eles substituíram a safira por uma lâmina de silício monocristalino e sobre esta lâmina depositaram camadas de nitreto de alumínio e nitreto de zircônio. Em seguida, o nitreto de gálio foi depositado sobre esta estrutura por meio da chamada técnica de deposição epitaxial de vapor organometálico. Embora possa parecer complicada, esta técnica é utilizada há muitos anos na produção de chips para várias finalidades. É o chamado crescimento epitaxial, ou seja, a deposição ordenada de átomos em cima de um substrato monocristalino. Já pesquisadores da Universidade de Cambridge estimam poder lançar em breve um LED que poderá custar aproximadamente 2 libras (cerca de 6 reais) . O sistema utilizado por eles é o MOVPE (Metal Organic Vapor-phase Epitaxy).
Bacharel em Química, o autor é conselheiro titular do CRQ-IV e ex-presidente do Sindicato dos Químicos, Químicos Industriais e Engenheiros Químicos de SP. Contatos pelo e-mail: avritsch@usp.br
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