Calor transformado em eletricidade com viabilidade técnica e econômica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/06/2023

Os nanopilares aumentaram drasticamente a eficiência da conversão termoelétrica.
[Imagem: NIST]

Reciclagem de calor

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA fabricaram um novo dispositivo que aumenta drasticamente a conversão de calor em eletricidade.

Se puder ser levada para a produção industrial, a tecnologia pode ajudar a recuperar parte da energia térmica que é desperdiçada, um mercado que a equipe estima em US$ 100 bilhões anuais apenas nos EUA.

A técnica envolve depositar centenas de milhares de colunas microscópicas de nitreto de gálio sobre uma pastilha de silício. As camadas de silício são então removidas da parte inferior da pastilha até que reste apenas uma fina folha do material.

A interação entre os pilares e a folha de silício retarda o transporte de calor no silício, permitindo que o dispositivo termoelétrico converta mais calor em corrente elétrica.

A ideia é que o fino material possa ser enrolado em tubos de vapor, de exaustão ou em chaminés, para converter as emissões de calor em eletricidade. Outra aplicação potencial seria o resfriamento de chips de computador.

Efeito Seebeck

Em teoria, o chamado efeito Seebeck pode ser uma maneira ideal de reciclar a energia térmica que, de outra forma, é perdida.

Mas há um grande obstáculo para tirar proveito prático dele: O material termoelétrico precisa conduzir mal o calor, para manter uma diferença de temperatura entre duas regiões, e conduzir eletricidade extremamente bem, para converter o calor em uma quantidade substancial de energia elétrica.

Para a maioria das substâncias, no entanto, a condutividade térmica e a condutividade elétrica andam de mãos dadas; um mau condutor de calor resulta em um mau condutor elétrico e vice-versa.

O que a equipe conseguiu agora foi desacoplar essas duas propriedades. Ao criar seu revestimento ultrafino, os pesquisadores reduziram a condutividade térmica da folha de silício em 21% sem diminuir sua condutividade elétrica, portanto sem alterar o efeito Seebeck.

Microfotografia do material real.
[Imagem: Bryan T. Spann et al. - 10.1002/adma.202209779]

Como funciona a geração termoelétrica?

No silício e em outros sólidos, os átomos são limitados pelas ligações químicas, não conseguindo se mover livremente para transmitir calor. Como consequência, o transporte de energia térmica assume a forma de vibrações coletivas dos átomos, chamadas fônons.

Tanto os nanopilares de nitreto de gálio quanto a folha de silício carregam fônons, mas aqueles dentro dos nanopilares são ondas estacionárias, presas pelas paredes das minúsculas colunas, da mesma forma que uma corda de violão vibrante é mantida fixa em ambas as extremidades.

A interação entre os fônons que viajam na folha de silício e as vibrações nos nanopilares de nitreto de gálio retardam os fônons, dificultando a passagem do calor pelo material. Isso reduz a condutividade térmica, aumentando assim a diferença de temperatura de uma extremidade à outra. Igualmente importante, a interação do fônon gera esse efeito sem alterar a condutividade elétrica da folha de silício.

A equipe agora está trabalhando em estruturas fabricadas inteiramente em silício - o nitreto de gálio é caro - e com uma geometria otimizada para a recuperação de calor termoelétrico. Eles esperam demonstrar uma taxa de conversão de calor em eletricidade alta o suficiente para tornar sua técnica economicamente viável para a indústria.

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