Calor é transformado em eletricidade desafiando limite físico

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/02/2025

Termofotovoltaica

Uma nova tecnologia para transformar calor em eletricidade literalmente desafia a lei b?sica da f?sica t?rmica.

Os pesquisadores afirmam que sua descoberta tem potencial para revolucionar as f?bricas ao aumentar a gera??o de energia sem a necessidade de fontes de calor de alta temperatura ou de materiais termoel?tricos caros.

Mas a tecnologia ? muito mais vers?til, e poder? ser usada para armazenar energia limpa, reduzir as emiss?es de carbono e coletar calor de usinas geot?rmicas, nucleares e de radia??o solar em todo o mundo.

"O calor ? uma fonte de energia renov?vel que ? frequentemente negligenciada. Dois ter?os de toda a energia que usamos s?o transformados em calor. Pense no armazenamento de energia e na gera??o de eletricidade que n?o envolva combust?veis f?sseis. Podemos recuperar parte dessa energia t?rmica desperdi?ada e us?-la para produzir eletricidade limpa," disse o professor Longji Cui, da Universidade do Colorado em Boulder, nos EUA.

O maior impacto inicial da tecnologia dever? atingir os geradores de energia port?teis e solu??es para descarbonizar ind?strias com emiss?es pesadas. E, uma vez otimizada, ela tem potencial para transformar processos industriais de alta temperatura, como a produ??o de vidro, a?o e cimento, que poder?o contar com eletricidade mais barata e limpa.

Quebrando o limite f?sico no v?cuo

Processos industriais de alta temperatura e t?cnicas de coleta de energia renov?vel frequentemente utilizam um m?todo de convers?o de energia t?rmica chamado termofotovoltaico. ? como uma c?lula solar, s? que, em vez da luz vis?vel, ela captura a luz no espectro infravermelho, ou calor. Por isso ? uma t?cnica usada para capturar a energia t?rmica de fontes de calor de alta temperatura para gerar eletricidade.

Funciona, mas os dispositivos termofotovoltaicos precisam seguir uma regra muito r?gida: A lei da radia??o t?rmica de Planck.

"A lei de Planck, uma das leis mais fundamentais da f?sica t?rmica, coloca um limite na energia t?rmica dispon?vel que pode ser aproveitada de uma fonte de alta temperatura em qualquer temperatura dada," explicou Cui. "Pesquisadores tentaram trabalhar mais perto ou superar esse limite usando muitas ideias, mas os m?todos atuais s?o excessivamente complicados para fabricar o dispositivo, que fica caro e n?o escal?vel."

Mas a equipe teve uma ideia melhor: Ao projetar um dispositivo termofotovoltaico inovador e compacto, que cabe na palma da m?o, os pesquisadores conseguiram superar o limite de v?cuo definido pela lei de Planck, o que resultou na duplica??o da densidade de pot?ncia obtida anteriormente pelos dispositivos termofotovoltaicos convencionais - eles chamam o princ?pio de "termofotovoltaico com hiato de v?cuo zero".

"Quando est?vamos explorando essa tecnologia, t?nhamos teoricamente previsto um alto n?vel de aprimoramento. Mas n?o t?nhamos certeza de como seria em um experimento do mundo real," contou Mohammad Habibi, respons?vel pela constru??o do dispositivo. "Depois de realizar o experimento e processar os dados, n?s mesmos vimos o aprimoramento e percebemos que se trata de algo grande."

Termofotovoltaico com hiato zero

A inova??o foi poss?vel gra?as a um novo projeto da c?lula termofotovoltaica que foca na pot?ncia gerada, e n?o exatamente na efici?ncia da convers?o.

Para isso, a equipe implementou a sua solu??o de "lacuna de v?cuo zero". Ao contr?rio de outros modelos termofotovoltaicos, que apresentam uma lacuna de v?cuo ou cheia de g?s entre a fonte t?rmica e a c?lula solar, o novo projeto usa um espa?ador isolante feito apenas de vidro, de alto ?ndice de refra??o e transparente ao infravermelho.

Isso cria um canal de alta densidade de pot?ncia que permite que as ondas de calor viajem pelo dispositivo sem perder for?a, melhorando drasticamente a gera??o de energia. "Esta camada tem um alto ?ndice de refra??o e alta transpar?ncia infravermelha (IR), o que permite a transmiss?o de modos de alto vetor de onda que s?o proibidos em dispositivos termofotovoltaicos de campo distante baseados em lacunas," explicou a equipe.

E o material tamb?m ? muito barato, o que dever? facilitar a ado??o da tecnologia.

"Anteriormente, quando as pessoas queriam aumentar a densidade de energia, elas tinham que aumentar a temperatura. Digamos um aumento de 1.500 ?C para 2.000 ?C, ?s vezes at? mais alto, o que eventualmente se torna insuport?vel e inseguro para todo o sistema de energia," explicou Cui. "Agora podemos trabalhar em temperaturas mais baixas, que s?o compat?veis com a maioria dos processos industriais, tudo isso continuando a gerar energia el?trica em um n?vel semelhante ao anterior. Nosso dispositivo opera a 1.000 ?C e produz energia equivalente a 1.400 ?C nos dispositivos termofotovoltaicos com hiatos integrados."

Os pesquisadores afirmam tamb?m que seu espa?ador de vidro ? apenas a ponta do iceberg: Outros materiais poder?o ajudar o dispositivo a produzir ainda mais energia. "Esta ? a primeira demonstra??o deste novo conceito de termofotovoltaico," explicou Habibi. "Mas se usarmos outro material barato com as mesmas propriedades, como o sil?cio amorfo, h? um potencial para um aumento ainda maior, quase 20 vezes maior, na densidade de pot?ncia. ? isso que estamos procurando explorar a seguir."

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