Calor é transformado em eletricidade desafiando limite físico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/02/2025

Dispositivo termofotovoltaico com vácuo zero.
[Imagem: Jesse Morgan Petersen/CU Boulder]

Termofotovoltaica

Uma nova tecnologia para transformar calor em eletricidade literalmente desafia a lei básica da física térmica.

Os pesquisadores afirmam que sua descoberta tem potencial para revolucionar as fábricas ao aumentar a geração de energia sem a necessidade de fontes de calor de alta temperatura ou de materiais termoelétricos caros.

Mas a tecnologia é muito mais versátil, e poderá ser usada para armazenar energia limpa, reduzir as emissões de carbono e coletar calor de usinas geotérmicas, nucleares e de radiação solar em todo o mundo.

"O calor é uma fonte de energia renovável que é frequentemente negligenciada. Dois terços de toda a energia que usamos são transformados em calor. Pense no armazenamento de energia e na geração de eletricidade que não envolva combustíveis fósseis. Podemos recuperar parte dessa energia térmica desperdiçada e usá-la para produzir eletricidade limpa," disse o professor Longji Cui, da Universidade do Colorado em Boulder, nos EUA.

O maior impacto inicial da tecnologia deverá atingir os geradores de energia portáteis e soluções para descarbonizar indústrias com emissões pesadas. E, uma vez otimizada, ela tem potencial para transformar processos industriais de alta temperatura, como a produção de vidro, aço e cimento, que poderão contar com eletricidade mais barata e limpa.

Pesquisador mostra uma das células termofotovoltaicas usadas para geração de eletricidade a partir do calor.
[Imagem: Jesse Morgan Petersen/CU Boulder]

Quebrando o limite físico no vácuo

Processos industriais de alta temperatura e técnicas de coleta de energia renovável frequentemente utilizam um método de conversão de energia térmica chamado termofotovoltaico. É como uma célula solar, só que, em vez da luz visível, ela captura a luz no espectro infravermelho, ou calor. Por isso é uma técnica usada para capturar a energia térmica de fontes de calor de alta temperatura para gerar eletricidade.

Funciona, mas os dispositivos termofotovoltaicos precisam seguir uma regra muito rígida: A lei da radiação térmica de Planck.

"A lei de Planck, uma das leis mais fundamentais da física térmica, coloca um limite na energia térmica disponível 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 métodos atuais são excessivamente complicados para fabricar o dispositivo, que fica caro e não escalável."

Mas a equipe teve uma ideia melhor: Ao projetar um dispositivo termofotovoltaico inovador e compacto, que cabe na palma da mão, os pesquisadores conseguiram superar o limite de vácuo definido pela lei de Planck, o que resultou na duplicação da densidade de potência obtida anteriormente pelos dispositivos termofotovoltaicos convencionais - eles chamam o princípio de "termofotovoltaico com hiato de vácuo zero".

"Quando estávamos explorando essa tecnologia, tínhamos teoricamente previsto um alto nível de aprimoramento. Mas não tínhamos certeza de como seria em um experimento do mundo real," contou Mohammad Habibi, responsável pela construção do dispositivo. "Depois de realizar o experimento e processar os dados, nós mesmos vimos o aprimoramento e percebemos que se trata de algo grande."

Princípio físico da célula termofotovoltaica com vácuo zero (c) em comparação com dispositivos de campo próximo (b) e campo distante (a).
[Imagem: Mohammad Habibi et al. - 10.1039/D4EE04604H]

Termofotovoltaico com hiato zero

A inovação foi possível graças a um novo projeto da célula termofotovoltaica que foca na potência gerada, e não exatamente na eficiência da conversão.

Para isso, a equipe implementou a sua solução de "lacuna de vácuo zero". Ao contrário de outros modelos termofotovoltaicos, que apresentam uma lacuna de vácuo ou cheia de gás entre a fonte térmica e a célula solar, o novo projeto usa um espaçador isolante feito apenas de vidro, de alto índice de refração e transparente ao infravermelho.

Isso cria um canal de alta densidade de potência que permite que as ondas de calor viajem pelo dispositivo sem perder força, melhorando drasticamente a geração de energia. "Esta camada tem um alto índice de refração e alta transparência infravermelha (IR), o que permite a transmissão de modos de alto vetor de onda que são proibidos em dispositivos termofotovoltaicos de campo distante baseados em lacunas," explicou a equipe.

E o material também é muito barato, o que deverá facilitar a adoção da tecnologia.

"Anteriormente, quando as pessoas queriam aumentar a densidade de energia, elas tinham que aumentar a temperatura. Digamos um aumento de 1.500 ºC para 2.000 ºC, às vezes até mais alto, o que eventualmente se torna insuportável e inseguro para todo o sistema de energia," explicou Cui. "Agora podemos trabalhar em temperaturas mais baixas, que são compatíveis com a maioria dos processos industriais, tudo isso continuando a gerar energia elétrica em um nível semelhante ao anterior. Nosso dispositivo opera a 1.000 ºC e produz energia equivalente a 1.400 ºC nos dispositivos termofotovoltaicos com hiatos integrados."

Os pesquisadores afirmam também que seu espaçador de vidro é apenas a ponta do iceberg: Outros materiais poderão ajudar o dispositivo a produzir ainda mais energia. "Esta é a primeira demonstração deste novo conceito de termofotovoltaico," explicou Habibi. "Mas se usarmos outro material barato com as mesmas propriedades, como o silício amorfo, há um potencial para um aumento ainda maior, quase 20 vezes maior, na densidade de potência. É isso que estamos procurando explorar a seguir."

Mais tópicos