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.
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.
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.
“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 Materials. 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.
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).
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.
