A equipe de pesquisa do NIST liderada por Kris Bertness está explorando um novo método de conversão de calor em eletricidade e desenvolveu um dispositivo para o mesmo. Uma vez que essa tecnologia seja aperfeiçoada, ela converteria calor em eletricidade que, de outra forma, seria desperdiçada. A pesquisa é baseada na descoberta do físico alemão Thomas Seebeck. Esta equipe também incorporou a descoberta feita por Mahmoud Hussein em seu estudo de conversão termoelétrica.
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um novo dispositivo que, se aperfeiçoado, poderá converter calor em eletricidade com sucesso. Essa tecnologia tem o potencial de recuperar a energia térmica desperdiçada nos Estados Unidos, que é estimada em um valor impressionante de aproximadamente US$ 100 bilhões por ano.
Kris Bertness , pesquisadora do NIST, e sua equipe criaram essa técnica. Ela consiste em depositar milhares de colunas microscópicas de nitreto de gálio sobre uma lâmina de silício. O silício é então removido da parte inferior da lâmina, camada por camada, até restar apenas uma fina camada. A interação entre os pilares e a camada de silício permite a conversão de mais calor em corrente elétrica, o que retarda a transferência de calor no material.
As folhas de silício podem ser enroladas em tubos de vapor ou de exaustão uma vez que o processo de fabricação é desenvolvido para emissões de conversão de calor em eletricidade que pode ser usada para alimentar dispositivos próximos ou ser enviada para a rede elétrica. Resfriar chips de computador seria outro possível uso potencial.
O físico alemão Thomas Seebeck foi o primeiro a notar um comportamento peculiar que serviu de base para o estudo do NIST e da Universidade do Colorado. No início da década de 1820, Seebeck começou a investigar um circuito formado por dois fios metálicos de composições diferentes, unidos em ambas as extremidades. Ele percebeu que, à medida que as temperaturas das duas junções que mantinham os fios unidos variavam, a agulha de uma bússola próxima se desviava.
Outros pesquisadores descobriram que a diferença de temperatura entre as duas áreas gerava uma voltagem e, consequentemente, uma corrente elétrica que causava o desvio. O campo magnético produzido por essa corrente fazia com que a agulha da bússola fosse redirecionada.
O efeito Seebeck , que em teoria converte calor em eletricidade, poderia ser o melhor método para reutilizar a energia térmica que de outra forma seria desperdiçada. Mas havia um obstáculo significativo.
Para manter uma diferença de temperatura, um material deve ter baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica para gerar uma quantidade substancial de energia elétrica. A maioria dos materiais, no entanto, exibe condutividade elétrica e térmica; um mau condutor elétrico também exibe má condutividade térmica, e vice-versa.
Mahmoud Hussein , da Universidade do Colorado, durante sua pesquisa sobre a física da conversão termoelétrica, descobriu que essas propriedades poderiam ser separadas em uma membrana fina coberta com nanopilares — colunas verticais de material com não mais do que alguns milionésimos de metro, ou aproximadamente um décimo da espessura de um fio de cabelo humano. Sua descoberta inspirou a equipe e Bertness a trabalharem nessa tecnologia.
Com a ajuda dos nanopilares, Bertness, Hussein e seus colegas conseguiram separar com sucesso a condutividade térmica da folha de silício de sua condutividade elétrica . Trata-se de um feito inédito para qualquer material e um passo significativo para viabilizar a conversão eficiente de calor em eletricidade.
Sem afetar sua condutividade elétrica ou alterar o efeito Seebeck, os pesquisadores conseguiram reduzir a condutividade térmica da folha de silício em 21%.
Leia também: O que é um semicondutor extrínseco?
Os átomos são unidos por ligações e são incapazes de se mover livremente para conduzir calor em silício e outros materiais. Como resultado, o movimento da energia térmica se manifesta como fônons em movimento, que são as vibrações coletivas dos átomos. Tanto a folha de silício quanto os nanopilares de nitreto de gálio carregam fônons; no entanto, os fônons dentro dos nanopilares são ondas estacionárias que são mantidas estacionárias em ambas as extremidades pelas paredes das pequenas colunas.
Essa interação entre fônons e vibrações retarda a propagação dos fônons, dificultando a passagem do calor pelo material. Como resultado, a condutividade térmica é reduzida e a diferença de temperatura entre as extremidades aumenta. Durante todo esse processo, não há alteração na condutividade elétrica da folha de silício.
Agora, a equipe está trabalhando somente em estruturas de silício e seguindo uma geometria melhor para recuperação de calor termoelétrica. Eles têm expectativas de demonstrar uma alta taxa de conversão de calor em eletricidade. A taxa de conversão garante que a técnica se torne economicamente viável para a indústria.
