Calor é convertido em eletricidade, superando limites físicos

Os cientistas acreditam que essa descoberta pode transformar a indústria, proporcionando uma maneira de gerar energia de forma mais eficiente, sem depender de fontes de calor de alta temperatura ou de materiais termoelétricos caros.

Além disso, a tecnologia tem um vasto campo de aplicação, permitindo o armazenamento de energia limpa, a redução das emissões de carbono e a coleta de calor de fontes como usinas geotérmicas, nucleares e solares em todo o planeta.

“O calor é uma fonte de energia renovável frequentemente ignorada. Cerca de dois terços de toda a energia que consumimos se transforma em calor. Imagine um sistema de armazenamento de energia e geração de eletricidade sem depender de combustíveis fósseis. Podemos recuperar parte dessa energia térmica desperdiçada e usá-la para gerar eletricidade limpa”, afirmou o professor Longji Cui, da Universidade do Colorado em Boulder.

Inicialmente, a tecnologia pode impactar positivamente geradores portáteis de energia e ajudar na descarbonização de indústrias com altas emissões. Quando totalmente aperfeiçoada, ela tem o potencial de transformar processos industriais de alta temperatura, como a produção de vidro, aço e cimento, tornando a eletricidade mais acessível e sustentável.

Superando Limites Físicos no Vácuo

Nos processos industriais de alta temperatura e nas tecnologias de coleta de energia renovável, é comum o uso de um método de conversão de energia térmica conhecido como termofotovoltaico. Esse processo funciona de maneira semelhante a uma célula solar, mas em vez de capturar luz visível, ele coleta a luz do espectro infravermelho, ou calor. Assim, essa técnica é frequentemente empregada para transformar a energia térmica de fontes de calor de alta temperatura em eletricidade.

Embora seja eficaz, os dispositivos termofotovoltaicos enfrentam uma grande limitação imposta pela física: a lei de radiação térmica de Planck.

“A lei de Planck, uma das leis fundamentais da física térmica, impõe um limite para a quantidade de energia térmica que pode ser extraída de uma fonte de alta temperatura em uma dada temperatura”, explicou Cui. “Embora os pesquisadores tenham tentado contornar esse limite com várias abordagens, as soluções atuais são complicadas, caras e difíceis de produzir em larga escala.”

Contudo, a equipe de pesquisadores teve uma ideia inovadora: ao projetar um dispositivo termofotovoltaico pequeno, do tamanho de uma palma de mão, eles conseguiram ultrapassar o limite de vácuo imposto pela lei de Planck. O resultado foi um aumento significativo na densidade de potência gerada, dobrando os valores alcançados pelos dispositivos termofotovoltaicos convencionais. Essa inovação foi batizada de “termofotovoltaico com hiato de vácuo zero”.

“Quando começamos a explorar essa tecnologia, tínhamos uma previsão teórica de que ela traria grandes melhorias, mas não sabíamos o que esperar em um experimento real”, disse Mohammad Habibi, responsável pela construção do dispositivo. “Após realizar os testes e analisar os dados, vimos claramente o avanço e entendemos que era algo realmente revolucionário.”

Termofotovoltaico com Hiato Zero

A inovação foi possível graças a um novo design para a célula termofotovoltaica, focado em maximizar a potência gerada, em vez de apenas otimizar a eficiência de conversão.

A chave dessa novidade está na introdução do conceito de “lacuna de vácuo zero”. Diferente dos modelos tradicionais de termofotovoltaicos, que utilizam uma lacuna preenchida com gás ou vácuo entre a fonte de calor e a célula solar, o novo projeto emprega um espaçador isolante feito de vidro, com alto índice de refração e transparente ao infravermelho.

Esse design cria um canal com alta densidade de potência, permitindo que as ondas de calor se propaguem pelo dispositivo sem perdas significativas, o que resulta em uma melhoria substancial na geração de energia. “A camada de vidro possui um alto índice de refração e alta transparência ao infravermelho, o que possibilita a transmissão de modos de onda de alta intensidade, que são normalmente impossíveis de alcançar em dispositivos termofotovoltaicos tradicionais”, explicou a equipe de pesquisa.

Além disso, o material utilizado é bastante acessível, o que torna a tecnologia mais viável para adoção em larga escala.

“Anteriormente, para aumentar a densidade de energia, era necessário elevar a temperatura, às vezes de 1.500 ºC para 2.000 ºC, ou até mais, o que tornava o sistema muito instável e perigoso”, comentou Cui. “Agora, conseguimos operar em temperaturas mais baixas, adequadas à maioria dos processos industriais, mas mantendo a geração de energia em níveis comparáveis aos de dispositivos termofotovoltaicos tradicionais, com a vantagem de que nosso dispositivo opera a 1.000 ºC e gera energia equivalente à de dispositivos que operam a 1.400 ºC.”

Os pesquisadores também destacam que o espaçador de vidro é apenas o primeiro passo. A introdução de outros materiais poderá potencializar ainda mais a produção de energia. “Esta é apenas a primeira demonstração dessa nova abordagem no campo termofotovoltaico”, afirmou Habibi. “Se usarmos materiais alternativos, como o silício amorfo, com as mesmas propriedades, podemos aumentar a densidade de potência em até 20 vezes. Esse é o próximo passo que queremos explorar.”

Achou útil essa informação? Compartilhe com seus amigos! 

Deixe-nos a sua opinião aqui nos comentários.