Energia

Sistema quântico recicla o calor e gera eletricidade

Sistema quântico recicla o calor e gera eletricidade
Mais da metade da energia gerada no mundo é simplesmente jogada fora, a maior parte desse desperdício dando-se na forma de calor. Uma nova pesquisa dá esperanças concretas de acabar com esse desperdício. [Imagem: MIT]

Desperdício de energia

O homem não precisaria estar tão preocupado com suas próprias responsabilidades sobre as mudanças climáticas, com os apagões e com o retorno da energia nuclear, se conseguisse ao menos diminuir o desperdício de energia.

Mais da metade da energia gerada no mundo todo é simplesmente jogada fora, a maior parte desse desperdício dando-se na forma de calor. Os motores dos carros esquentam, os processadores dos computadores esquentam, os telefones celulares esquentam - tudo isso significa energia sendo constantemente desperdiçada.

Reciclagem do calor

É por isto que cientistas do mundo inteiro pesquisam formas de melhorar a eficiência energética de todo tipo de equipamento. Se houver uma forma de coletá-lo e reaproveitá-lo - fazendo literalmente uma reciclagem do calor - poderemos dispor de carros mais eficientes, computadores que não aquecem e celulares cujas baterias durarão várias vezes mais, apenas para citar alguns exemplos.

Os candidatos naturais para esse papel de recicladores de calor são os materiais termoelétricos, materiais capazes de converter diretamente calor em eletricidade.

Inúmeros progressos têm sido feitos nas pesquisas com os materiais termoelétricos, com a ajuda inclusive da nanotecnologia, permitindo que os pesquisadores acenem com várias possibilidades técnicas, incluindo geladeiras de estado sólido, reaproveitamento do calor do motor dos carros e até telefones celulares que funcionam com o calor do corpo.

Limite de Carnot

A física afirma que há um limite para a conversão do calor em eletricidade. Segundo a teoria, a eficiência máxima que qualquer dispositivo pode alcançar na conversão do calor em trabalho nunca poderá exceder um valor específico, chamado Limite de Carnot - em referência ao físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot, que elaborou a teoria em 1824.

O problema é que os materiais termoelétricos que já atingiram o estágio de comercialização não alcançam nem 10% do limite de Carnot.

Ainda em estágio de laboratório, cientistas do MIT, nos Estados Unidos, divulgaram agora uma nova pesquisa que, segundo eles, poderá permitir a fabricação de materiais termoelétricos que atinjam até 90% do limite de Carnot.

A novidade, segundo Peter Hagelstein, que chefiou a equipe que desenvolveu o novo material, exigiu que se abandonasse tudo o que foi feito até aqui em termos de materiais termoelétricos, começando a pesquisa a partir do zero.

Diodos termais

A nova tecnologia se baseia no que os pesquisadores chamam de diodo termal. Em seus experimentos, eles fabricaram versões desse componente que atingem 40% do limite de Carnot, embora seus modelos teóricos lhes garantam que é possível fazer muito mais - 40% do limite de Carnot, por si só, já seria uma revolução em um material que pudesse alcançar a escala comercial, sendo mais de quatro vezes mais eficiente do que qualquer material disponível hoje.

Para começar do zero, os cientistas foram ao nível mais elementar que a tecnologia atual permite. Eles começaram usando um sistema extremamente simples, no qual a energia era gerada por um único ponto quântico - um tipo de semicondutor no qual os elétrons e as lacunas, responsáveis pela transmissão das cargas elétricas, são confinados em três dimensões - uma espécie de "solitária quântica".

Controlando cada uma das propriedades do ponto quântico, os pesquisadores queriam entender os princípios mais fundamentais da conversão termoelétrica, o que eventualmente poderá levar à fabricação de materiais que façam essa conversão com alta eficiência.

Paciência

No nível já alcançado, em termos experimentais, os pesquisadores afirmam que é possível converter calor em eletricidade com alta eficiência, mas com baixa potência, usando o seu minúsculo sistema. Por outro lado, é possível gerar alta potência em um sistema maior, mas de forma menos eficiente.

"[Por enquanto] é uma permuta. Você pode ter ou alta eficiência ou alta potência," disse Hagelstein. Mas sua teoria sustenta que os diodos termais têm potencial para oferecer as duas coisas simultaneamente - como fazer isto é uma questão tecnológica, que será vencida com o tempo.

Quanto tempo? Impossível afirmar, dizem os pesquisadores, mas há muitos grupos trabalhando no aprimoramento e desenvolvimento dos pontos quânticos, por várias razões e com vários interesses diferentes, o que abre boas possibilidades de vermos avanços na área. "Ainda estamos há alguns anos de vermos nossos materiais termoelétricos de alta eficiência no mercado," concluem eles.

Bibliografia:

Quantum-coupled single-electron thermal to electric conversion scheme
Yan Kucherov, Peter Hagelstein
Journal of Applied Physics
November 2009
Vol.: 106, 094315 (2009)
DOI: 10.1063/1.3257402




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