Grafeno e Rede Elétrica- Daniel Alencar

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POSSIBILIDADE DE USO DO GRAFENO NA MELHORIA DA REDE ELÉTRICA DO CEARÁ
Daniel de Alencar Lima
Resumo: O grafeno é um material da família do fulerenos, composto basicamente de carbono, possui a espessura de apenas um átomo, mostra-se altamente flexível, ótimo condutor elétrico, resistente mecanicamente e podendo ser manipulado, associando-se a outros elementos e materiais. Promete revolucionar a indústria eletrônica e outros materiais, por ser usado em escala pequena. Com o avanço da tecnologia, o grafeno será usado em escala comercial para as mais diversas finalidades: substituição do silício em dispositivos eletrônicos, aumento da resistência mecânica de materiais, etc. O presente trabalho quer estudar os benefícios do uso do grafeno, ao invés do cobre, nas redes de distribuição de energia elétrica no Ceará, onde ocorrem perdas significativas devido à resistência dos condutores usualmente usados.
Palavras-chave: Grafeno, Rede elétrica, Ceará.
INTRODUÇÃO
O Grafeno é um material composto de átomos de carbono dispostos em hexágono, e de espessura de um átomo (DESCOBERTO, 2004, on line), como mostra a Figura 01. O carbono é o elemento 12 da Tabela Periódica dos Elementos (BROW, 2005, p.232), que é conhecido desde a Pré-História na forma de grafite e diamante. Posteriormente foram descobertas novas formas alotrópicas � do elemento. A importância do carbono reside no fato de ele ligar-se eletronicamente consigo, e ligar-se a outros elementos quer sejam metais ou não. Assim ele consegue formar vários compostos (CARBONO, s.d, online).
Figura 1- Estrutura do grafeno. Fonte: cienciahoje.uol.com.br/colunas/do-laboratório-para-a-fabrica/promessas-tecnologicas-do-grafeno
O grafeno veio a se tornar um material importante, devido às suas características jamais vistas em outros materiais tais como: flexibilidade, condutor elétrico entre outros (DESCOBERTO, 2004, on line). Ele pode ser modificado, abrindo possibilidades da criação de novos materiais como semicondutores³(GRAFANO, 2009, on-line). 
Sabe-se até o momento que o grafeno é um excelente condutor e pode ser usado como semicondutor, mas ainda não se conhece os limites de suas aplicações. Até 2010 foram publicados mais de 7 mil artigos relacionados, principalmente ao uso do material em transistores�, o que permite que pesquisadores do mundo inteiro façam outras descobertas. (SANTOS, 2010, on-line). Um ponto de reflexão seria a possibilidade de sua utilização como substituto ao cobre na rede de distribuição de energia elétrica no Ceará.
Os principais estudos sobre o material estão sendo feitos pela Universidade de Manchester, onde trabalham os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov. No Brasil, na UFRJ, a doutoranda Karla Acemano tem realizado alguns estudos sobre o grafeno: Estudo de Prospecção Tecnológica em Grafenos (2011); Prospecão Tecnológica em Grafenos através de Metodologia Sistemática por Patentes (2012); Grafeno: Aplicações e Tendências Tecnológicas (2012)(SIGMA.UFRJ,2013,on line). 
Até o momento e analisando a rede elétrica do Ceará focando consumo, como é feita a distribuição, e o tipo de material usado, o presente trabalho vai buscar encontrar uma alternativa para melhorar o setor elétrico do Estado, mostrando as vantagens que se vai ter com a implementação do uso de grafeno. 
GRAFENO 
História	
O grafite é um dos mais conhecidos materiais da humanidade e é largamente usado na fabricação de lápis. Foi a partir deste material que surge o grafeno. Desde 1987, sabia-se que o grafite era formado por empilhamento de camadas de átomos organizadas em estrutura hexagonal, mas não se conseguia isolá-lo. A dificuldade era maior ainda de se acreditar na existência do grafeno é que uma teoria criada pelo cientista Lev Davidovic Landau� em 1933, praticamente selava que não existisse um material bidimensional e se existisse era termodinamicamente instável. (LEV DAVIDOVIC, s.d. on line).
A descoberta aconteceu quando os professores pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos de origem russa, decidiram estudar as propriedades eletrônicas do grafite, em um momento eles perceberam que sempre ficava um resquício de grafite em fita adesiva, que era usada para tornar a superfície do grafite mais lisa. Dissolveram a fita e conseguiram pela 1ª vez isolar uma camada muito fina de carbono. (DESCOBERTO, 2013, on line). No ano de 2004 foi publicado o artigo “Para experiências inovadoras sobre o grafeno, o material bidimensional.” (O PREMIO, 2010, on line). Posteriormente novos estudos foram realizados para que se descobrissem todas as propriedades químicas e físicas do material bem como possibilidades de uso. (DESCOBERTO,2004, on line).
Prêmio Nobel
No ano de 2010, os professores pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Físca pelo trabalho "Para experiências inovadoras sobre o grafeno, o material bidimensional".(COHEN, 2010, on line)..Sendo a mais rápida premiação da história, pois foram quase 6 anos entre a publicação referente a descoberta e a premiação pela Academia Real de Ciências da Suécia recebendo os dois juntos 1,5 bi de Euros. (CIENTISTAS, 2010, on line). Segundo a Academia Real "O grafeno é o melhor condutor de calor conhecido até o momento".(CIENTISTAS, 2010, on line).
O que é Grafeno?
O Grafeno é um material bidimensional, de espessura de apenas um átomo �, constituído de átomos de carbonos dispostos em hexágono. A folha de carbono é estável, altamente flexível, forte e excelente condutor de eletricidade. (DESCOBERTO, 2004, on line). 
O Grafeno ainda pode ser modificado, como no caso do Grafano. O Grafano foi criado pela equipe dos professores Geim e Novoselov e consiste da adição de átomos de hidrogênio para modificar o grafeno - que consiste em uma folha de carbono, parecida com uma tela de galinheiro, com apenas um átomo de espessura- sendo isolante.
Esta descoberta abre possibilidades de o grafeno gerar novos materiais, podendo substituir o silício na eletrônica. Segundo Geim (GRAFANO, 2009, on line), "A moderna indústria de semicondutores utiliza toda a tabela periódica, de isolantes a semicondutores e metais. Mas que tal se um único material puder ser modificado de forma a cobrir o espectro inteiro necessário para as aplicações eletrônicas,".(GEIM apud GRAFANO, 2009on line).
Mas a propriedade que mais chama a atenção com relação a este material é que pode ser fatiado, em escala tão pequena e mesmo assim não oxida como o silício. Materiais com um átomo de espessura. (MATERIAIS, 2005, on line).
Formas de obtenção do grafeno
Quando foi descoberto o grafeno foi isolado por técnica de esfoliação em que usa-se fita adesiva colada à superfície de grafite e dissolvendo a fita, isolou-se o grafeno (não foi encontrado qualquer referência ao material usado como solvente), mas a técnica se mostrou inadequada à indústria, pois além de ser uma técnica que exige paciência, obtêm frações muitos pequenas de grafeno para ser usado em grande escala.
Mas hoje usa-se a deposição de vapor químico de algum hidrocarboneto sobre algum metal. (CIRCUITO, 2012, on line). Segundo Thoroh (2013, on line):
O ponto de partida é aquecer um hidrocarboneto [substância química constituída apenas por átomos de carbono (C) e de hidrogênio (H)] em estado gasoso. Por um mecanismo conhecido como deposição química de vapor, os átomos de carbono e hidrogênio aquecidos se depositam sobre uma superfície metálica [como o cobre, por exemplo] adotada como suporte. Ao se depositarem, eles se arranjam naturalmente na rede hexagonal. (THOROH, 2013, on-line)
E ainda acrescenta: "Um dos métodos é depositar o polímero sobre a placa metálica que já aderiu à rede de grafeno. E, depois, corroer o metal, deixando o grafeno preso no polímero"(THOROH, apud BRASIL,2013, on line).
Possibilidades do uso do grafeno
O Grafeno é um dos materiais mais promissores que existem. Dentreas possibilidades de uso estão na fabricação de transistor de efeito de campo� ambipolar totalmente funcional a temperatura ambiente. (CIRCUITO, 2012, on line). Para isso pesquisas na Universidade de Manchester pela equipe do professor Andre Geim, buscam estudar a possibilidade de obter grandes pedaços de grafeno (DESCOBERTO, 2004, on line). 
Figura 3- Transistor de efeito de campo. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/ Transistor_de_efeito_de_campo
Na Itália os pesquisadores do Instituto Politécnico de Milão citados anteriormente criaram o primeiro circuito integrado feito com portas lógicas� de grafeno. Esse circuito integrado de grafeno funciona em contato com o ar - e não em atmosferas controladas de laboratório -, a temperatura ambiente e usando as mesmas tensões usadas pela eletrônica do silício. Segundo Sordan "Além disso, nossas portas são integradas sobre um tipo de grafeno que pode facilmente ser crescido sobre áreas grandes, o que abre o caminho para a fabricação em larga escala desses circuitos eletrônicos à base de carbono," (CIRCUITO, 2012, on line).
Figura 4- Esquema das portas lógicas de grafeno, postas para funcionar em cascata, compondo circuitos complexos, funcionais a temperatura ambiente. Fonte: www. inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=circuito-grafeno-real&id=010110120816
Prós e contras do grafeno
O grafeno é tido como o material do futuro por resistente mecanicamente, ou seja, podem dobra-lo que mesmo assim ele não sofre qualquer dano, além de ótimo condutor elétrico, estável. 
Entretanto um grupo de cientistas da Rice University realizou uma série de estudos para testar a real resistência do grafeno. Eles descobriram que no limite das camadas de grafeno, a estrutura de hexágonos do nanomaterial acaba se interrompendo e gerando imperfeições. O problema é que, quando o grafeno estiver sob algum tipo de força, essas imperfeições podem gerar rupturas que vão se espalhando por toda a estrutura do nanomaterial. (GAZZARRINI, 2013, on line).
HISTÓRIA E ATUAL SITUAÇÃO DA REDE ELÉTRICA DO ESTADO DO CEARÁ
História da eletricidade do Ceará
Antes de 1961, a energia consumida no Estado era proveniente de termoelétricas de forma precária e cara, mesmo com a geração de energia por hidrelétrica ser feita de 1949. Depois dessa data a energia hidrelétrica chegou no território cearense pela região Sul, Cariri, vinda da Usina de Paulo Afonso ao longo do rio São Francisco administrada pela Chesf (Companhia Hidreletrica do São Francisco) sob uma tensão (diferença de potencial entre dois pontos) de 220 kV. Este fato ocorreu no mandato do governador Virgílio Távora (1963-1966). Ocorreu um prolongamento das linhas de transmissão até Fortaleza por meio da ligação Milagres-Banabuiu-Fortaleza(FILHO,2004, p.14 on line).
Em outro mandato do governador Virgilio Távora (1979-1983) ocorreu um impulso da Distribuição e na Transmissão da rede elétrica. O governo mostrou grande preocupação em implantar um sistema para medir o desempenho do sistema Coelce (Companhia Elétrica do Ceará) em relação à qualidade do fornecimento da Energia Elétrica. E também houve uma preocupação com a modernização da estrutura técnico-administrativa responsável pela manutenção das redes de distribuição (FILHO,2004, p.18 on line). 
Já no governo de Tasso Jereissati (1987-1990) aconteceu uma ampliação da oferta e do atendimento, principalmente para o interior do Estado. (FILHO,2004, p.19 on line).
Matriz Energética do Ceará
Até o inicio do século XX, o Ceará era desprovida de qualquer unidade geradora de eletricidade, a maior parte da energia elétrica consumida no Estado vem das hidrelétricas do complexo de geração da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) por meio das hidrelétricas de Paulo Afonso 1, 2, 3 e 4, de Xingu, Sobradinho e Moxotó e Usina Hidreletrica de Tucuruí no Pará.
O Estado é marcado por períodos de seca em que a maioria dos rios desaparece, por uma geografia de poucas áreas de grande relevo o Ceará não produz o que consome. Desde o inicio deste século estão sendo feitos investimentos em usinas de geração elétrica a partir da força do vento e do sol ambos abundantes o ano inteiro (CEARÀ, s.d.on line). Muito raramente se usa a eletricidade produzida pela Central Termelétrica Fortaleza localizada próximo ao Pécem (Terminal Portuário localizado em São Gonçalo do Amarante). 
Os parques eólicos instalados se localizam no litoral na Prainha, Taíba e Mucuripe, extensões de terra com fortes ventos vindos do oceano Atlântico. Com relação a energia solar cabe destacar a MPX Ceará (CEARÀ, s.d.on line).
GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E DESTINO FINAL DA ENERGIA ELÉTRICA.
2.3.1. Empresas geradoras
O Ceará não possui empresas geradoras de eletricidade em seu território, o Estado consome a energia elétrica produzida pelo Complexo de Paulo Afonso, Xingu e Usina de Tucuruí. (CEARÀ, s.d.on line)
Empresas distribuidoras
A empresa responsável pela distribuição e gerenciamento das redes de distribuição, responsável pela manutenção de fios, postes e etc. é a Coelce privatizada em 1998 e administrada pelo Consórcio Distriluz Energia Elétrica (FILHO, 2004, on line). Atualmente administrada pela Investiluz formada pelas empresas Endessa, Cerj, Energia e Chilectra nenhuma cearense (HISTÓRICO, s.d., on line).
MATERIAL USADO NAS REDES ELÉTRICAS DE DISTRIBUIÇÃO
A eletricidade que recebe-se em casa é transportada por meio de corrente alternada que é uma corrente que varia com o tempo, ou seja, oscila. Esta corrente é produzida em centrais hidrelétricas que usam a força mecânica da água para movimentar um gerador que irá transformar a força da água em eletricidade.
A corrente alternada foi escolhida por conta das perdas de energia na forma térmica ou efeito Joule, que ocorrem nos fios condutores de eletricidade. A relação entre a forma como a eletricidade é transportada e o material está condicionado por uma equação da potência desenvolvida nos fios sob a forma de calor que é P = ri2, onde r e i são respectivamente a resistência do material a passagem dos elétrons e a corrente que passa no mesmo material.
Para minimizar perdas de energia elétrica na forma de calor, deve-se ter os valores de r e i o mínimo possível. Por isso os engenheiros eletricistas levam em consideração que a voltagem para transmitir eletricidade até os centros consumidores, depende da potência a ser transmitida e da distância a ser percorrida. (REIS, 2011,p.369)
2.4.1. O cobre: Um capítulo à parte:
A principal razão para utilizar o cobre em sistemas elétricos é sua excelente condutividade elétrica. O cobre apresenta a resistência elétrica mais baixa entre todos os metais não-preciosos. (POR QUE, s.d. on line). O Cobre custava em 2008, US$ 5600,00 por tonelada (COTAÇÃO, 2008,on line), enquanto o grafeno custa US$ 100,00 por m2 (COMO O GRAFENO, 2012, on line). A resistividade (dificuldade dos elétrons se movimentarem livremente) do cobre é 0,0167 ohms.mm2/m,(TABELA, s.d. on line), enquanto o grafeno à temperatura ambiente é da ordem de 10 nOhm.m (nano Ohm-metro) (GRAFENO, 2008, on line). As reservas mundiais de cobre, medidas e indicadas, atingem atualmente cerca de 607 milhões de toneladas de metal contido.(RESERVAS, s.d, on line).
CONCLUSÃO
As possibilidades de uso do Grafeno ainda não são totalmente conhecidas pelos cientistas para ser usado em escala comercial. O que se sabe até o momento é que as propriedades de ser altamente condutor elétrico, resistente choques mecânicos e manipulado para gerar novos materiais (semi-condutor, isolantes etc.) o torna candidato ideal a ser usado na eletrônica e em outros setores. 
A pesquisa sobre as características do grafeno e análise da situação e características do cobre chega-se a conclusão de que o grafeno pode ser usado na rede elétrica, desde que se fabrique os semi-condutores e isolantes necessários, pois o grafeno dissipa muita energia principalmente na forma de calor.
A vantagem que o grafeno tem sobre o cobre é que pode ser obtido a partir dequalquer hidrocarboneto que vem das mais diversas fontes, já que que o carbono que é o elemento constituinte do material é abundante na Terra e é a base de toda vida. Enquanto que o cobre é extraído a partir de um minério, o que ocasiona grandes impactos sobre o meio ambiente. O cobre não é usado somente na fabricação de fios elétricos e o seu preço tende a variar para mais ou para menos conforme a produção.
REFERÊNCIAS
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COBRE. Disponível em: <http://www.ibram.org.br/sites/1300/1382/00002788.pdf>. Acesso em: 10 ago 2013.
COTAÇÃO de preço do cobre. Disponível em:http://www.metalica.com.br/cotacao-de-preco-cobre> Acesso em: 13 ago 2013.
DESCOBERTO tecido mais fino do mundo, com apenas um átomo de espessura. Inovação Tecnológica. Disponível em: <www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo010165041105&id=010165041105>. Acesso em: 11 ago 2013.
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TABELA de Resistividade dos Materiais Condutores, Semicondutores e Isolantes.Disponível em: <http://edufer.free.fr/026.html>. Acesso em: 12 ago 2013
Figura 2- Estrutura do grafano, com a inserção de átomos de hidrogênio na estrutura planar do grafeno. Fonte: www.inovacaotecnologica. com.br/noticias/ noticia.php
� Graduando em Engenharia Mecânica no Instituto de Educação Ciência e Tecnologia do estado do Ceará
² Rearranjos da disposição dos átomos de um mesmo elemento no espaço.
³ O transístor é um componente eletrónico semicondutor com várias funções, nomeadamente: amplificador de sinal (tensão)
� Diz que é impossível existir um material fino que fosse estável termodinamicamente, ou seja, que não pode resistir quando submetido a altas temperaturas provocadas por corrente elétrica.
�Escala de 1 nanometro 10-9m
� Funciona através do efeito de campo elétrico. Dentre suas funcionalidades está no controle de corrente sobre uma carga.
�Portas lógicas ou circuitos são dispositivos que operam um ou mais sinais lógicos de entrada para produzir uma e somente uma saída, dependente da função implementada no circuito.