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Tecnologia

Filme fino converte calor de eletrônicos em energia

Imagem: ilustração de como o sistema de dispositivos constituído de uma fina película converte o calor residual de equipamentos eletrônicos em energia. Crédito: Shishir Pandya

Via Universidade da Califórnia em Berkeley e Phys.org

Como é sabido, a maior parte da energia produzida e usada hoje é literalmente desperdiçada na forma de calor pelos dispositivos elétricos que usamos diariamente. Limitar a dispersão de calor certamente não é fácil e não houve muito progresso desde que os próprios dispositivos elétricos se tornaram objetos do cotidiano e, portanto, estão ao alcance de todos.

Quase 70% da energia produzida nos Estados Unidos a cada ano é desperdiçada como calor. Grande parte desse calor é inferior a cem graus Celsius e emana de coisas como computadores, carros ou grandes processos industriais. Uma nova pesquisa realizada por um grupo de engenheiros da Universidade da Califórnia, em Berkeley, focou precisamente neste aspecto.

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Tendo em mente essa questão da perda de energia pela dispersão de calor gerado nos equipamento eletrônicos, os pesquisadores acham que encontraram uma solução, não tanto para limitar a dissipação de calor, mas para convertê-la em energia elétrica e, então, poder reutilizá-la. É que os pesquisadores desenvolveram um sistema de filme fino que pode ser aplicado a fontes de calor residual como essas para produzir energia em níveis sem precedentes para esse tipo de tecnologia.

É uma tecnologia nanoscópica caracterizada pelo uso de um fino filme que quase inevitavelmente coleta calor após ser facilmente instalado em quase todos os componentes eletrônicos. O sistema que usa esse fino filme empregando um processo de conversão de energia chamado piroelétrico, sobre o qual o novo estudo dos engenheiros demonstra ser bem adequado para explorar fontes de calor residual abaixo de cem graus Celsius, o chamado calor residual de baixa qualidade.

A conversão de energia piroelétrica, comum em muitos sistemas que transformam calor em energia, funciona melhor usando ciclos termodinâmicos, como o funcionamento de um motor de automóveis, por exemplo. Mas, ao contrário do motor do seu carro, a conversão de energia piroelétrica pode ser realizada inteiramente no estado sólido, sem partes móveis, transformando calor residual em eletricidade.

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Os novos resultados sugerem que essa tecnologia de filme fino nanoscópico pode ser particularmente atraente para a instalação e a coleta de calor residual de dispositivos eletrônicos, podendo ter um grande escopo de aplicações. Para fontes de calor flutuantes, o estudo relata que a película fina pode transformar o calor residual em energia utilizável com densidade de energia, densidade de potência e níveis de eficiência mais elevados do que outras formas de conversão de energia piroelétrica.

Imagem: ilustração de como o sistema de dispositivos constituído de uma fina película converte o calor residual de equipamentos eletrônicos em energia. Crédito: Shishir Pandya

“Sabemos que precisamos de novas fontes de energia, mas também precisamos melhorar a utilização da energia que já temos”, disse a autor Lane Martin, professor sênior associado de ciência e engenharia de materiais. “Esses finos filmes podem nos ajudar a extrair mais energia do que fazemos hoje de cada fonte de energia”.

A pesquisa foi publicada em 16 de abril na revista Nature Materials1. A pesquisa foi apoiada, em parte, por doações do Escritório de Pesquisa do Exército e da National Science Foundation.

O comportamento piroelétrico é conhecido há muito tempo, mas a medição precisa das propriedades das versões de filmes finos de sistemas piroelétricos continua sendo um desafio. Uma contribuição significativa do novo estudo é desmistificar esse processo e melhorar a compreensão da física piroelétrica.

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A equipe de pesquisadores de Martin sintetizou versões de filmes finos de apenas 50 a 100 nanômetros de espessura e, então, junto com o grupo de Chris Dames, professor associado de engenharia mecânica em Berkeley, fabricou e testou equipamentos com os dispositivos piroelétricos baseados nesses filmes. Esses equipamentos permitiram que os engenheiros medissem simultaneamente a temperatura e as correntes elétricas criadas e geravam calor para testar as capacidades de geração de energia do dispositivo — tudo isso em um filme com menos de cem nanômetros de espessura.

“Ao criar um dispositivo de filme fino, podemos medir o calor que entrar e sai desse sistema rapidamente, permitindo-nos obter energia piroelétrica em níveis sem precedentes para fontes de calor que variam ao longo do tempo”, disse Martin. “Tudo o que estamos fazendo é fornecer calor e aplicar campos elétricos a esse sistema e, assim, podemos extrair energia”.

Este estudo registra novos recordes de conversão de energia piroelétrica (1,06 Joules por centímetro cúbico), densidade de potência (526 Watts por centímetro cúbico) e eficiência (19% de eficiência Carnot, que é a unidade padrão de medição para a eficiência de um motor térmico).

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Os próximos passos nessa linha de pesquisa serão otimizar os materiais da fina película para fluxos de calor e temperaturas residuais específicos.

“Parte do que estamos tentando fazer é criar um protocolo que nos permita empurrar os extremos de materiais piroelétricos para que você possa me fornecer um fluxo de calor residual e eu possa obter um material otimizado para resolver seus problemas”, disse Martin.

Fontes: Phys.org e University of California – Berkeley

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Referência:

  1. Shishir Pandya et al, Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8
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