Energia fotovoltaica sem luz solar

Baseado em artigo de Nancy W. Stauffer - MIT - 10/08/2011

Os microrreatores contém cristais fotônicos nas duas faces planas, com tubos externos para a injeção de combustível e ar, e para a liberação dos resíduos da combustão.
[Imagem: Justin Knight]

Energia da radiação

Um novo sistema de conversão fotovoltaica de energia, desenvolvido no MIT, nos Estados Unidos, pode ser alimentado exclusivamente por calor, gerando eletricidade sem necessidade de luz solar.

Embora o princípio envolvido não seja uma novidade, uma nova forma de fabricação da superfície do material para converter o calor em comprimentos de onda precisos da luz - selecionados para coincidir com o comprimento de onda de maior eficiência das células solares fotovoltaicas - faz com que o novo sistema seja muito mais eficiente do que versões anteriores.

A chave para esta emissão de luz precisamente ajustada é um material com bilhões de furos em nanoescala escavados em sua superfície.

Quando o material absorve o calor - seja do Sol, da queima de um combustível, de uma fonte de radioisótopos ou de qualquer outra fonte - a superfície perfurada irradia energia principalmente nesses comprimentos de onda cuidadosamente escolhidos.

Microgerador de energia

Com base nessa tecnologia, os pesquisadores construíram um gerador de energia do tamanho de um botão, alimentado pela queima de gás butano.

O minigerador dura três vezes mais do que uma bateria de íons de lítio com o mesmo peso.

E o dispositivo pode ser recarregado instantaneamente, apenas acoplando um cartucho novo cheio de combustível.

Um dispositivo assim, se alimentado por uma fonte de radioisótopos, que produz calor constantemente pelo decaimento radioativo, poderia gerar eletricidade por 30 anos sem reabastecimento ou manutenção - uma fonte de eletricidade ideal para naves espaciais em missões a longas distâncias do Sol, que não podem ser alimentadas por painéis solares.

Gerador sem partes móveis

Cerca de 92 por cento de toda a energia que usamos envolve a conversão de calor em energia mecânica e, frequentemente em eletricidade - como o uso de combustível para ferver água e gerar vapor para girar uma turbina, que é acoplada a um gerador.

Mas os sistemas mecânicos atuais têm uma eficiência relativamente baixa, e não podem ser reduzidos para os tamanhos necessários para alimentar dispositivos pequenos, como sensores, telefones celulares ou monitores médicos.

"Ser capaz de converter calor de diversas fontes em eletricidade, sem partes móveis, pode trazer enormes benefícios," afirma o Dr. Ivan Celanovic, coordenador da pesquisa, "especialmente se pudermos fazê-lo de forma eficiente, relativamente barato e em pequena escala."

Células termofotovoltaicas

Há muito se sabe que as células fotovoltaicas não precisam funcionar apenas com luz solar.

Meio século atrás, os pesquisadores desenvolveram as células termofotovoltaicas, que juntam uma célula fotovoltaica tradicional com qualquer fonte de calor: um derivado do petróleo, por exemplo, aquece um material, chamado de emissor térmico, que irradia calor e luz para o diodo fotovoltaico, gerando eletricidade.

O emissor termal de radiação gera muito mais comprimentos de onda na faixa do infravermelho do que aqueles que ocorrem no espectro solar.

E materiais fotovoltaicos de baixa bandgap, descobertos menos de uma década atrás, conseguem absorver mais dessa radiação infravermelha do que as células fotovoltaicas tradicionais de silício.

Mas grande parte do calor ainda é desperdiçado, o que tem mantido a eficiência dos geradores termofotovoltaicos relativamente baixa.

Cristal fotônico

A solução, explica Celanovic, é a concepção de um emissor térmico que irradia somente os comprimentos de onda que o diodo fotovoltaico pode absorver e converter em eletricidade, suprimindo outros comprimentos de onda.

"Mas como é que vamos encontrar um material que tenha essa propriedade mágica de emitir apenas com os comprimentos de onda que queremos?" pergunta Marin Soljacic, membro da equipe.

A resposta: construa um cristal fotônico pegando uma amostra de material e crie algumas características em nanoescala em sua superfície - digamos, um padrão regular e repetitivo de buracos ou saliências - para que a luz se propague através da amostra de uma forma radicalmente diferente.

"Projetando adequadamente a nanoestrutura, podemos criar materiais que têm propriedades ópticas inéditas," diz Soljacic. "Isso nos dá a capacidade de controlar e manipular o comportamento da luz."

A equipe usou um pedaço de tungstênio e fez bilhões de pequenos buracos em sua superfície. Quando o tungstênio se aquece, ele gera luz com um espectro de emissão alterada, porque cada furo age como um ressonador, capaz de emitir radiação apenas de determinados comprimentos de onda.

Esta abordagem tem sido amplamente utilizada para melhorar lasers, diodos emissores de luz e até mesmo fibras ópticas.

Microrreatores

Os microrreatores são basicamente pequenas partilhas de silício.

Cada um deles contém cristais fotônicos nas duas faces planas, com tubos externos para a injeção de combustível e ar, e para a liberação dos resíduos da combustão.

No interior do chip, o combustível e o ar reagem, aquecendo os cristais fotônicos.

Frente a cada uma das faces do microrreator são colocadas as células fotovoltaicas, que captam os comprimentos de onda emitidos e os convertem em eletricidade com grande eficiência.

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