Gerador transforma oscilações de temperatura em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Protótipo do sistema (dentro da caixa preta), instalado no telhado do laboratório. [Imagem: Justin Raymond]

Ressonador térmico

Os bem conhecidos geradores termoelétricos geram eletricidade quando um lado do dispositivo tem uma temperatura diferente da outra.

Agora, uma equipe do MIT, nos EUA, idealizou um novo gerador que converte flutuações de temperatura em energia elétrica - em vez de exigir duas entradas diferentes de temperatura ao mesmo tempo, o novo sistema tira proveito das oscilações na temperatura ambiente que ocorrem durante o ciclo dia-noite.

Essencialmente, um lado do dispositivo captura o calor, que depois se irradia lentamente para o outro lado. Um dos lados sempre fica "correndo atrás do outro" enquanto o sistema tenta alcançar o equilíbrio. Esta diferença perpétua de temperatura entre os dois lados pode ser recolhida através de materiais termoelétricos convencionais.

"É algo que pode ficar sobre uma mesa e gerar energia aparentemente do nada. Estamos rodeados por flutuações de temperatura de todas as frequências o tempo todo. É uma fonte de energia inexplorada," disse o professor Michael Strano.

O sistema, chamado de ressonador térmico, poderá viabilizar o funcionamento contínuo de sistemas de baixo consumo de energia - sistemas de sensores para monitoramento ambiental, por exemplo - durante anos, sem necessidade de outras fontes de energia ou baterias.

Efusividade térmica

Para produzir eletricidade a partir de ciclos de temperatura, a equipe desenvolveu um material otimizado para uma característica pouco conhecida, chamada efusividade térmica - uma propriedade que descreve a facilidade com que o material pode extrair o calor do seu entorno ou liberá-lo no ambiente.

A efusividade térmica combina as propriedades de condução térmica (rapidez com que o calor pode se propagar através de um material) e capacidade térmica (quanto calor pode ser armazenado em um determinado volume de material). Na maioria dos materiais, se uma dessas propriedades é alta, a outra tende a ser baixa - a cerâmica, por exemplo, tem alta capacidade térmica, mas baixa condutividade.

Quem conseguiu contornar esse problema foi o pesquisador Anton Cottrill, mediante uma combinação de materiais cuidadosamente selecionados. A estrutura básica é uma espuma metálica feita de cobre ou níquel, que é revestida com uma camada de grafeno para proporcionar uma maior condutividade térmica. Em seguida, a espuma é infundida em um tipo de cera chamada octadecano, um material de mudança de fase, que oscila entre sólido e líquido dentro de uma determinada gama de temperaturas escolhidas para uma determinada aplicação.

"O material de mudança de fase armazena o calor e o grafeno oferece uma condução muito rápida quando chega a hora de usar esse calor para produzir uma corrente elétrica," explicou Cottrill.

O material pode ser ajustados para outros ciclos de frio e calor. [Imagem: Anton L. Cottrill et al. - 10.1038/s41467-018-03029-x]

Teste e aplicações práticas

Em resposta a uma diferença de temperatura de 10 graus Celsius entre a noite e o dia, uma pequena amostra do material produziu 350 milivolts de potencial e 1,3 miliwatt de potência - o suficiente para alimentar pequenos sensores ambientais ou sistemas de comunicação.

Embora os níveis de potência gerados pelo sistema até agora sejam modestos, o ressonador térmico superou um material piroelétrico comercial de tamanho idêntico - um método já conhecido para converter flutuações de temperatura em eletricidade - por um fator de mais de três em termos de energia por área.

Os testes iniciais foram feitos usando o ciclo diário de 24 horas da temperatura do ar ambiente, mas as propriedades do material podem ser ajustadas para possibilitar a colheita de outros tipos de ciclos de temperatura, como o calor do motor em uma geladeira ou de máquinas em instalações industriais, disse Cottrill.

Bibliografia:

Ultra-high thermal effusivity materials for resonant ambient thermal energy harvesting
Anton L. Cottrill, Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Volodymyr B. Koman, Amir Kaplan, Sayalee G. Mahajan, Pingwei Liu, Aubrey R. Toland, Michael S. Strano
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 664
DOI: 10.1038/s41467-018-03029-x