Dispositivos termoelétricos, que pode gerar energia quando um lado do dispositivo está a uma temperatura diferente do outro, têm sido objeto de muitas pesquisas nos últimos anos. Agora, uma equipe do MIT descobriu uma nova maneira de converter as flutuações de temperatura em energia elétrica. Em vez de exigir duas entradas de temperatura diferentes ao mesmo tempo, o novo sistema aproveita as oscilações de temperatura ambiente que ocorrem durante o ciclo diurno / noturno.

O novo sistema, chamado de ressonador térmico, poderia permitir contínuo, anos de operação de sistemas de sensoriamento remoto, por exemplo, sem exigir outras fontes de energia ou baterias, dizem os pesquisadores.

As descobertas estão sendo relatadas no jornal Nature Communications , em um artigo do estudante graduado Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs, Professor de Engenharia Química Michael Strano, e sete outros no Departamento de Engenharia Química do MIT.

"Basicamente, inventamos esse conceito do nada, "Strano diz." Nós construímos o primeiro ressonador térmico. É algo que pode sentar em uma mesa e gerar energia do que parece não ser nada. Estamos cercados por flutuações de temperatura em todas as frequências diferentes o tempo todo. Estas são uma fonte inexplorada de energia. "

Embora os níveis de energia gerados pelo novo sistema até agora sejam modestos, a vantagem do ressonador térmico é que ele não precisa de luz solar direta; ele gera energia a partir de mudanças na temperatura ambiente, mesmo na sombra. Isso significa que não é afetado por mudanças de curto prazo na cobertura de nuvens, condições do vento, ou outras condições ambientais, e pode ser localizado em qualquer lugar que seja conveniente, mesmo sob um painel solar, na sombra perpétua, onde poderia até permitir que o painel solar fosse mais eficiente, retirando o calor residual, dizem os pesquisadores.

O ressonador térmico foi mostrado para superar um tamanho idêntico, material piroelétrico comercial - um método estabelecido para converter as flutuações de temperatura em eletricidade - por um fator de mais de três em termos de potência por área, de acordo com Cottrill.

Os pesquisadores perceberam que para produzir energia a partir de ciclos de temperatura, eles precisavam de um material otimizado para uma característica pouco conhecida chamada efusividade térmica - uma propriedade que descreve a rapidez com que o material pode extrair calor de seus arredores ou liberá-lo. A efusividade térmica combina as propriedades de condução térmica (quão rapidamente 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 for alta, o outro tende a ser baixo. Cerâmica, por exemplo, têm alta capacidade térmica, mas baixa condução.

Para contornar isso, a equipe criou uma combinação de materiais cuidadosamente adaptada. A estrutura básica é uma espuma de metal, feito de cobre ou níquel, que é então revestido com uma camada de grafeno para fornecer ainda maior condutividade térmica. Então, a espuma é infundida com um tipo de cera chamada octadecano, um material de mudança de fase, que muda entre sólido e líquido dentro de uma faixa particular de temperaturas escolhidas para uma determinada aplicação.

Uma amostra do material feito para testar o conceito mostrou que, simplesmente em resposta a uma diferença de temperatura de 10 graus Celsius entre a noite e o dia, a pequena amostra de material produziu 350 milivolts de potencial e 1,3 miliwatts de potência - o suficiente para alimentar de forma simples, pequenos sensores ambientais ou sistemas de comunicação.

"O material de mudança de fase armazena o calor, "diz Cottrill, o autor principal do estudo, "e o grafeno dá uma condução muito rápida" na hora de usar esse calor para produzir uma corrente elétrica.

Essencialmente, Strano explica, um lado do dispositivo captura o calor, que então se irradia lentamente para o outro lado. Um lado sempre fica atrás do outro enquanto o sistema tenta alcançar o equilíbrio. Essa diferença perpétua entre os dois lados pode então ser colhida por meio de termelétricas convencionais. A combinação dos três materiais - espuma de metal, grafeno, e octadecano - torna-o "o material de maior efusividade térmica na literatura até hoje, "Strano diz.

Embora o teste inicial tenha sido feito usando o ciclo diário de 24 horas de temperatura do ar ambiente, ajustar as propriedades do material pode tornar possível a colheita de outros tipos de ciclos de temperatura, como o calor do ciclo liga e desliga de motores em uma geladeira, ou de máquinas em plantas industriais.

"Estamos cercados por variações e flutuações de temperatura, mas eles não foram bem caracterizados no ambiente, "Strano diz. Isso se deve em parte porque não havia uma maneira conhecida de controlá-los.

Outras abordagens têm sido usadas para tentar extrair energia dos ciclos térmicos, com dispositivos piroelétricos, por exemplo, mas o novo sistema é o primeiro que pode ser ajustado para responder a períodos específicos de variações de temperatura, como o ciclo diurno, dizem os pesquisadores.

Essas variações de temperatura são "energia inexplorada, "diz Cottrill, e poderia ser uma fonte de energia complementar em um sistema híbrido que, combinando vários caminhos para a produção de energia, poderia continuar funcionando mesmo se componentes individuais falhassem. A pesquisa foi parcialmente financiada por uma bolsa da King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) da Arábia Saudita, que espera usar o sistema como forma de alimentar redes de sensores que monitoram as condições em campos de perfuração de petróleo e gás, por exemplo.

"Eles querem fontes de energia ortogonais, "Cottrill diz - isto é, aqueles que são totalmente independentes uns dos outros, como geradores de combustível fóssil, painéis solares, e este novo dispositivo de energia de ciclo térmico. Assim, "se uma parte falhar, "por exemplo, se os painéis solares forem deixados na escuridão por uma tempestade de areia, "você terá este mecanismo adicional para dar poder, mesmo que seja apenas o suficiente para enviar uma mensagem de emergência. "

Esses sistemas também podem fornecer fontes de energia de baixa potência, mas de longa duração, para landers ou rovers que exploram locais remotos, incluindo outras luas e planetas, diz Volodymyr Koman, um pós-doutorado do MIT e co-autor do novo estudo. Para tais usos, muito do sistema poderia ser feito de materiais locais em vez de ter que ser pré-fabricado, ele diz.