Energia

Energia elétrica gerada a partir do calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/07/2003

Lei da Radiação dos Corpos Negros

Por mais que os físicos mostrem que não se pode retirar alguma coisa do nada, algumas inovações tecnológicas parecem desafiar essa regra básica da física - tudo o que parece ser necessário é mudar o conceito de "nada".

É o que fizeram pesquisadores dos Laboratórios Sandia (Estados Unidos), ao demonstrar que filamentos construídos de pedaços microscópicos de tungstênio geram mais energia do que um filamento sólido do mesmo material, abalando a Lei da Radiação dos Corpos Negros, de Max Planck.

Os filamentos quase milagrosos foram construídos a partir de estruturas microscópicas de tungstênio. Quando aquecidos, eles emitiram muito mais energia no comprimento de onda chamado de infravermelho próximo (NIR: "Near-InfraRed") do que um filamento sólido também feito de tungstênio puro.

Mas o mais interessante é que a energia emitida está na exata frequência das células solares que convertem luz em energia.

Termoeletricidade

A grande quantidade de energia gerada logo chamou a atenção dos cientistas, que pensaram em novas fontes de eletricidade para o abastecimento de veículos elétricos, equipamentos elétricos em barcos e aviões e mesmo em geradores de eletricidade movidos pela queima de lixo.

Além disso, a faixa do espectro conhecida como infravermelho próximo situa-se muito próxima à faixa da luz visível. Isso já fez com que os cientistas sonhassem com o dia em que suas estruturas de tungstênio possam ser utilizadas como fontes mais eficientes de luz do que as atuais lâmpadas incandescentes e fluorescentes.

As estruturas microscópicas podem ser facilmente fabricadas com as atuais tecnologias de fabricação de chips e memórias para computadores, o que torna a sua industrialização em larga escala uma possibilidade a curto prazo. As estruturas são teias formadas por filamentos de tungstênio de 0,5 micrômetro, separadas entre si por intervalos de 1,5 micrômetro.

Estas estruturas são também conhecidas como cristais fotônicos, por causa da regularidade do espaçamento de seus componentes. Os cristais fotônicos são de interesse na área de telecomunicações, porque são capazes de refletir comprimentos de onda específicos, deixando passar todos os demais. É como se os canais da estrutura funcionassem como armadilhas para comprimentos de onda específicos. No caso desta pesquisa, contudo, os canais foram utilizados para permitir que a energia armazenada saísse somente em determinadas frequências.

Corpo negro

A demonstração, coordenada pelo físico Shawn Lin, parece ser a primeira a desafiar a Lei da Radiação dos Corpos Negros, formulada por Max Planck no início do século passado. Max Planck é considerado o pai da mecânica quântica. Sua lei estabelece a quantidade máxima esperada de radiação que será emitida por um corpo sólido ideal. Um corpo negro é um sólido ideal capaz tanto de absorver toda a energia que incidir sobre ele, quanto de liberar integralmente essa mesma radiação. A experiência agora conduzida nos Laboratórios Sandia excedeu largamente essa quantidade esperada de radiação.

Segundo a previsão tradicional, um corpo negro irradiador de calor deveria ter uma eficiência por volta de 11 por cento. Mas quando os cientistas aqueceram sua estrutura reticulada de tungstênio a 1.250º C, a temperatura típica de operação de um gerador fotovoltaico, a eficiência de conversão energética atingiu 34 por cento, cerca de três vezes mais do que o esperado. Essa taxa de conversão resulta em uma densidade de geração de energia de aproximadamente 14 watts por centímetro quadrado. Não foi observada deterioração da estrutura reticulada de tungstênio, embora não tenham sido ainda efetuados testes de longa duração.

Na opinião do pesquisador, porém, seu trabalho não quebra a Lei de Planck mas a modifica, demonstrando a criação de uma nova classe de emissores. "Comparar as quantidades de emissão de um sólido e de uma estrutura reticulada é como comparar um cachorro e um gato," explica Lin.

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Uma estrutura fotônica reticulada, quando aquecida, sujeita a luz a transitar entre seus canais e cavidades, resultando em interações muito mais complicadas do que as analisadas por Planck, que previu as energias emitidas a partir de sólidos simples aquecidos. A emissão da estrutura de tungstênio resulta de interações muito mais complexas e que ainda deverão ser corretamente entendidas e demonstradas, do que o sistema teórico simples e elegante de Planck.

Kazuaki Sakoda, físico do Laboratório de Nanomateriais do Japão, dá sua opinião sobre o trabalho de Lin: "Uma das questões mais importantes na óptica contemporânea é a modificação da natureza do campo de radiação e suas interações com a matéria. O trabalho [de Lin] claramente demonstra que mesmo a Lei de Planck, o ponto de partida da era da mecânica quântica, pode ser modificada. Pelo que sei, este é o primeiro relato experimental sobre esse assunto."

John Joanopoulus é outra autoridade no assunto a dar sua opinião, a pedido do próprio Laboratório: "Não é definitivamente, como vocês colocaram, um pequeno passo à frente. É realmente um salto à frente. É um experimento muito bem feito e completamente digno de crédito. Eu creio que é um experimento entusiasmante, muito bem feito, e há ciência nova realmente interessante nele."

Rastro de radiação

Embora a experiência tenha configurado as estruturas para emitir radiação na faixa do infravermelho entre 1,5 e 2 micrômetros, e seja alimentada por apenas 2 watts de potência, há um "rastro" de radiação no espectro visível suficiente para fazer com que a estrutura brilhe. Para montar o experimento, Lin utilizou bases de de vidro retirados de lâmpadas velhas, que funcionaram tanto como suportes quanto como conectores para as estruturas construídas pelo cientista.

Se os resultados a 1,5 micra puderem ser estendidos para o espectro da luz visível, o trabalho de Lin poderá resultar em uma nova geração de lâmpadas, um passo à frente da já conhecida tecnologia dos LED.

Mas a principal potencial aplicação das novas estruturas é na geração de energia elétrica a partir do aproveitamento de calor de motores. Em uma termelétrica, por exemplo, estruturas absorvedoras do excesso de calor, atualmente dissipadas na atmosfera, poderão ser importantes geradoras de potência adicional. O mesmo poderá ocorrer em automóveis, principalmente movidos a eletricidade. A nova estrutura de tungstênio poderá funcionar como um funil, forçando a radiação do calor para faixas de frequência determinadas. Quando colocadas entre o gerador, seja ele solar, um dínamo ou mesmo fogo, e o receptor, a estrutura fotônica poderá ser termalmente excitada, absorvendo todas essas energia térmicas e liberando-as na forma desejada, sob frequências específicas.