Dispositivo viola lei da Física para absorver mais energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2023

Estrutura do dispositivo criado pela equipe.
[Imagem: Shayegan et al. - 10.1038/s41566-023-01261-6]

Lei de Kirchhoff

Se você colocar um objeto ao Sol, ele começará a esquentar porque ele estará absorvendo energia dos raios solares e convertendo essa energia em calor. Deixe ele lá e o objeto continuará esquentando, mas só até certo ponto. Afinal, um banhista deitado na praia não pega fogo.

Acontece que, assim como os objetos (ou as pessoas) absorvem energia (a luz do Sol, neste caso), eles também emitem energia, tipicamente na forma de radiação infravermelha, ou calor. Você sente isso tocando em uma parede ou no asfalto ao final da tarde, quando o ambiente já se refrescou mas a parede e o piso continuam quentes, passando agora a se resfriar emanando a energia que acumularam.

A conexão entre a capacidade de um objeto de absorver e emitir energia na forma de radiação eletromagnética - suas eficiências de absorção e de emissão - é explicada pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica. A lei, um conceito desenvolvido por Gustav Kirchhoff em 1860, afirma que as eficiências de absorção e a emissividade são iguais em cada comprimento de onda e ângulo de incidência.

Agora, pela primeira vez, pesquisadores conseguiram criar um material real que quebra essa lei, desatando aquela relação normalmente estreita entre as eficiências de absorção e emissão de um objeto.

A invenção poderá ter implicações importantes para sistemas sustentáveis de coleta de energia e para o desenvolvimento de certos tipos de camuflagem.

Etapas de fabricação e foto do dispositivo.
[Imagem: Shayegan et al. - 10.1038/s41566-023-01261-6]

Quebra da simetria

A quebra na Lei de Kirchhoff foi obtida com um metamaterial construído com o semicondutor InAs (arseneto de índio), que possui uma forte resposta a um campo magnético.

Mas o truque está no formato criado, e não exatamente na composição química do material: Uma fina estrutura formada por ranhuras que alteram o modo de absorção e o modo de reflexão da radiação eletromagnética. Essas estruturas ressonantes têm sido usadas para filtrar e aumentar a absorção de infravermelho nos detectores térmicos e na captura de luz para células solares.

Embora o dispositivo dependa de um campo magnético externo para quebrar a simetria entre absorção e reemissão, o conceito tem potencial para aplicações práticas, na coleta de energia ou na reciclagem de calor, por exemplo.

"Uma das motivações por trás da dissociação das duas [absorção e reemissão] está nos sistemas de coleta de energia. Por exemplo, se um objeto de coleta de energia, como um fotovoltaico (painel solar), está reemitindo parte de sua energia absorvida de volta para a fonte de energia (o Sol) como calor, essa energia é perdida para propósitos humanos. Em teoria, se o objeto fotovoltaico - ou outro coletor de energia - reemitisse a radiação absorvida para longe da fonte e em direção a outro objeto coletor de energia, seria possível alcançar eficiências mais altas de conversão de energia," disse Komron Shayegan, que idealizou e construiu o dispositivo.

Mais tópicos