Gerando energia elétrica a partir do calor residual

A conversão direta da energia elétrica para o calor é fácil. Acontece regularmente na sua torradeira, isto é, se você faz torradas regularmente. O oposto, converter calor em energia elétrica, não é tão fácil assim.

Pesquisadores da Sandia National Laboratories desenvolveram um pequeno dispositivo baseado em silício que pode aproveitar o que antes era chamado de calor residual e transformá-lo em energia contínua. Seu avanço foi publicado recentemente na Physical Review Applied.

“Nós desenvolvemos um novo método para recuperar essencialmente a energia do calor residual. Motores de carros produzem muito calor e esse calor é apenas um desperdício, certo? Então imagine se você pudesse converter o calor do motor em energia elétrica para um carro híbrido. Isso é o primeiro passo nessa direção, mas muito mais trabalho precisa ser feito”, disse Paul Davids, físico e pesquisador principal do estudo.

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“A curto prazo, estamos procurando fazer uma fonte de energia infravermelha compacta, talvez para substituir os geradores termoelétricos de radioisótopos.” Chamados de RTGs, os geradores são usados ​​para tarefas como alimentar sensores para missões espaciais que não recebem luz solar direta suficiente para alimentar painéis solares.

O dispositivo de Davids é feito de materiais comuns e abundantes, como alumínio, silício e dióxido de silício, ou vidro, combinados de maneiras muito incomuns.

Dispositivo de silício captura, canaliza o calor residual e converte em energia

Menor que um prego mindinho, o dispositivo tem cerca de 1/8 de polegada por 1/8 de polegada, metade da espessura de um centavo e metalicamente brilhante. O topo é de alumínio que é gravado com listras aproximadamente 20 vezes menores que a largura de um cabelo humano. Esse padrão, embora pequeno demais para ser visto a olho nu, serve como uma antena para captar a radiação infravermelha.

Entre o topo de alumínio e o fundo de silício há uma camada muito fina de dióxido de silício. Esta camada tem cerca de 20 átomos de silício de espessura, ou 16.000 vezes mais finos do que um cabelo humano. A antena de alumínio padronizada e gravada canaliza a radiação infravermelha para essa camada fina.

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A radiação infravermelha aprisionada no dióxido de silício cria oscilações elétricas muito rápidas, cerca de 50 trilhões de vezes por segundo. Isso empurra os elétrons para frente e para trás entre o alumínio e o silício de maneira assimétrica. Este processo, chamado de retificação, gera uma corrente elétrica contínua.

A equipe chama seu dispositivo de retena infravermelha, uma junção de antena retificadora. Trata-se de um dispositivo de estado sólido sem partes móveis para obstruir, dobrar ou quebrar e não precisa tocar diretamente na fonte de calor, o que pode causar estresse térmico.

A produção infravermelha da retena usa processos comuns e escalonáveis

Como a equipe faz a retena infravermelha com os mesmos processos usados ​​pela indústria de circuitos integrados, ela é prontamente escalável, disse Joshua Shank, engenheiro elétrico e primeiro autor do estudo, que testou os dispositivos e modelou a física subjacente enquanto era um pós-doutorado de Sandia.

Ele acrescentou: “Nós nos concentramos deliberadamente em materiais e processos comuns que são escaláveis. Em teoria, qualquer instalação de fabricação de circuito integrado comercial poderia fazer essas retenções.”

Isso não quer dizer que criar o dispositivo atual foi fácil. Rob Jarecki, o engenheiro de fabricação que liderou o desenvolvimento de processos, disse: “Há imensa complexidade sob o capô e os dispositivos requerem todos os tipos de truques de processamento para construí-los”.

Um dos maiores desafios de fabricação foi inserir pequenas quantidades de outros elementos no silício, ou dopá-lo, para que ele refletisse a luz infravermelha como um metal, disse Jarecki. “Normalmente você não machuca o silicone até a o fim, você não tenta transformá-lo em metal, porque você tem metais para isso. Neste caso, precisamos dopar o máximo possível sem destruir o material.”

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Os dispositivos foram feitos no Complexo de Engenharia, Ciência e Aplicações de Microsistemas da Sandia. A equipe recebeu uma patente para a retena infravermelha e registrou várias patentes adicionais.

A versão da retena infravermelha que a equipe relatou na Physical Review Applied produz 8 nanowatt de energia por centímetro quadrado a partir de uma lâmpada de calor especializada a 840 graus. Por contexto, uma calculadora típica alimentada por energia solar usa cerca de 5 microwatts, então eles precisariam de uma folha de retenas infravermelhas um pouco maior que uma peça padrão de papel para alimentar uma calculadora. Assim, a equipe tem muitas ideias para melhorias futuras para tornar a retena infravermelha mais eficiente.

Trabalho futuro para melhorar a eficiência da retena infravermelha

Essas ideias incluem fazer o padrão superior da retena 2D em vez de 1D, a fim de absorver a luz infravermelha sobre todas as polarizações; redesenhar a camada de retificação para ser um retificador de onda completa em vez do atual retificador de meia onda; e fazer a retena de infravermelha em um wafer de silício mais fino para minimizar a perda de energia devido à resistência.

Através de um design melhorado e maior eficiência de conversão, a potência por unidade de área aumentará. Davids acredita que dentro de cinco anos, a retena infravermelha pode ser uma boa alternativa aos RTGs para fontes de alimentação compactas.

Shank disse: “Precisamos continuar a melhorar para sermos comparáveis ​​aos RTGs, mas as retenções serão úteis para qualquer aplicação onde você precise de algo para trabalhar de forma confiável por um longo tempo e onde você não pode entrar e apenas mudar No entanto, não seremos uma alternativa para os painéis solares como fonte de energia em escala de rede, pelo menos não no curto prazo.”

Davids acrescentou: “Estamos diminuindo o problema e agora estamos começando a chegar ao ponto em que estamos vendo ganhos relativamente grandes na conversão de energia, e acho que há um caminho a seguir como uma alternativa à termoelétrica. É bom chegar a este ponto. Seria ótimo se pudéssemos escalá-lo e mudar o mundo.”

A pesquisa foi financiada pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Sandia.

Fonte: Science Daily. Fonte da história: Material oferecido por DOE/Sandia National Laboratories