Quase 70% da energia produzida nos Estados Unidos a cada ano é desperdiçada na forma de calor. Muito desse calor é inferior a 100 graus Celsius e emana de coisas como computadores, carros ou grandes processos industriais. Engenheiros da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram um sistema de película fina que pode ser aplicado a fontes de calor residual como essas para produzir energia em níveis sem precedentes para esse tipo de tecnologia.

O sistema de película fina usa um processo chamado conversão de energia piroelétrica, que o novo estudo dos engenheiros demonstra ser bem adequado para explorar fontes de energia de calor residual abaixo de 100 graus Celsius, chamado de calor residual de baixa qualidade. Conversão de energia piroelétrica, como muitos sistemas que transformam calor em energia, funciona melhor usando ciclos termodinâmicos, mais ou menos como o motor de um carro funciona. Mas, ao contrário do motor do seu carro, a conversão de energia piroelétrica pode ser realizada inteiramente no estado sólido, sem partes móveis, pois transforma o calor residual em eletricidade.

Os novos resultados sugerem que esta tecnologia de filme fino nanoscópico pode ser particularmente atraente para instalar e coletar calor residual de eletrônicos de alta velocidade, mas pode ter um amplo escopo de aplicações. Para fontes de calor flutuantes, o estudo relata que a película fina pode transformar calor residual em energia utilizável com maior densidade de energia, densidade de potência e níveis de eficiência do que outras formas de conversão de energia piroelétrica.

“Sabemos que precisamos de novas fontes de energia, mas também precisamos fazer melhor no uso da energia que já temos, "disse o autor sênior Lane Martin, professor associado de ciência e engenharia de materiais. "Esses filmes finos podem nos ajudar a extrair mais energia do que fazemos hoje de todas as fontes de energia."

A pesquisa será publicada no dia 16 de abril na revista. Materiais da Natureza . A pesquisa foi apoiada, em parte, por doações do Army Research Office e da National Science Foundation.

O comportamento piroelétrico é conhecido há muito tempo, mas medir com precisão as propriedades das versões de filme fino de sistemas piroelétricos continua sendo um desafio. Uma contribuição significativa do novo estudo é desmistificar esse processo e melhorar o entendimento da física piroelétrica.

A equipe de pesquisa de Martin sintetizou versões de filme fino de materiais com apenas 50-100 nanômetros de espessura e, em seguida, junto com o grupo de Chris Dames, professor associado de engenharia mecânica em Berkeley, fabricou e testou as estruturas de dispositivos piroelétricos com base nesses filmes. Essas estruturas permitem que os engenheiros meçam simultaneamente a temperatura e as correntes elétricas criadas, e fonte de calor para testar as capacidades de geração de energia do dispositivo - tudo em um filme com menos de 100 nanômetros de espessura.

"Ao criar um dispositivo de filme fino, podemos fazer com que o calor entre e saia deste sistema rapidamente, permitindo-nos acessar energia piroelétrica em níveis sem precedentes para fontes de calor que flutuam ao longo do tempo, "Martin disse." Tudo o que estamos fazendo é obter calor e aplicar campos elétricos a este sistema, e podemos extrair energia. "

Este estudo relata novos registros para densidade de energia de conversão de energia piroelétrica (1,06 Joules por centímetro cúbico), densidade de potência (526 Watts por centímetro cúbico) e eficiência (19 por cento da eficiência de Carnot, que é a unidade de medida padrão para a eficiência de um motor térmico).

Os próximos passos nesta linha de pesquisa serão otimizar melhor os materiais de película fina para fluxos de calor e temperaturas específicas.

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