p Converter diretamente a energia elétrica em calor é fácil. Acontece regularmente na sua torradeira, isso é, se você faz torradas regularmente. O oposto, converter calor em energia elétrica, não é tão fácil. p Pesquisadores do Sandia National Laboratories desenvolveram um minúsculo dispositivo à base de silício que pode aproveitar o que antes era chamado de calor residual e transformá-lo em energia CC. Seu avanço foi publicado recentemente na Physical Review Applied.

p "Desenvolvemos um novo método para essencialmente recuperar energia do calor residual. Os motores dos automóveis produzem muito calor e esse calor é apenas um desperdício, direito? Então imagine se você pudesse converter o calor do motor em energia elétrica para um carro híbrido. Este é o primeiro passo nessa direção, mas muito mais trabalho precisa ser feito, "disse Paul Davids, um físico e o investigador principal do estudo.

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

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

p Dispositivo de silício captura, canaliza e converte calor em energia

p Menor que uma unha mindinho, o dispositivo tem cerca de 1/8 de polegada por 1/8 de polegada, metade da espessura de uma moeda de dez centavos e brilhante metalicamente. A parte superior é de alumínio que é gravado com listras cerca de 20 vezes menor do que a largura de um cabelo humano. Esse padrão, embora muito pequeno para ser visto a olho nu, serve como uma antena para captar a radiação infravermelha.

p Entre a parte superior de alumínio e a parte inferior 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 fino que um cabelo humano. A antena de alumínio padronizada e gravada canaliza a radiação infravermelha para essa camada fina.

p 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, chamada retificação, gera corrente elétrica CC líquida.

p A equipe chama seu dispositivo de retena infravermelha, uma mala de viagem de antena retificadora. É um dispositivo de estado sólido sem peças móveis para travar, dobrar ou quebrar, e não precisa tocar diretamente na fonte de calor, que pode causar estresse térmico.

p A produção de retina infravermelha é comum, processos escaláveis

p Como a equipe fabrica a retina infravermelha com os mesmos processos usados ​​pela indústria de circuitos integrados, é facilmente escalável, disse Joshua Shank, engenheiro elétrico e o primeiro autor do artigo, que testou os dispositivos e modelou a física subjacente enquanto era bolsista de pós-doutorado em Sandia.

p Ele adicionou, "Focamos deliberadamente em materiais e processos comuns que são escalonáveis. Em teoria, qualquer instalação comercial de fabricação de circuitos integrados poderia fazer essas retenas. "

p Isso não quer dizer que criar o dispositivo atual foi fácil. Rob Jarecki, o engenheiro de fabricação que liderou o desenvolvimento do processo, disse, "Há uma complexidade imensa sob o capô e os dispositivos exigem todos os tipos de truques de processamento para criá-los."

p Um dos maiores desafios de fabricação foi inserir pequenas quantidades de outros elementos no silício, ou dopando, para que reflita a luz infravermelha como um metal, disse Jarecki. "Normalmente você não dopa silício até a morte, você não tenta transformá-lo em um metal, porque você tem metais para isso. Nesse caso, precisávamos ser dopado o máximo possível, sem destruir o material. "

p Os dispositivos foram feitos na Engenharia de Microsistemas de Sandia, Ciência e Complexo de Aplicações. A equipe obteve uma patente para a retina infravermelha e entrou com várias patentes adicionais.

p A versão do retângulo infravermelho que a equipe relatou na Physical Review Applied produz 8 nanowatts de potência por centímetro quadrado a partir de uma lâmpada de calor especializada a 840 graus. Para contexto, uma calculadora movida a energia solar típica usa cerca de 5 microwatts, então, eles precisariam de uma folha de infravermelho retangular ligeiramente maior do que uma folha de papel padrão para alimentar uma calculadora. Então, a equipe tem muitas ideias para melhorias futuras para tornar a retina infravermelha mais eficiente.

p Trabalho futuro para melhorar a eficiência do retângulo infravermelho

p Essas idéias incluem fazer o padrão superior da retina 2-D x em vez de listras 1D, para absorver luz infravermelha em todas as polarizações; redesenhar a camada retificadora para ser um retificador de onda completa em vez do retificador de meia onda atual; e fazer a retina infravermelha em uma pastilha de silício mais fina para minimizar a perda de energia devido à resistência.

p Por meio de design aprimorado e maior eficiência de conversão, a produção de energia por unidade de área aumentará. Davids pensa que dentro de cinco anos, a retina infravermelha pode ser uma boa alternativa aos RTGs para fontes de alimentação compactas.

p Shank disse, "Precisamos continuar a melhorar para sermos comparáveis ​​aos RTGs, mas as retenas serão úteis para qualquer aplicação onde você precisa de algo para funcionar de forma confiável por um longo tempo e onde você não pode entrar e apenas trocar a bateria. Contudo, não seremos uma alternativa para os painéis solares como fonte de energia em escala de rede, pelo menos não no curto prazo. "

p Davids acrescentou, "Estamos reduzindo o problema e agora estamos começando a chegar ao ponto em que observamos ganhos relativamente grandes na conversão de energia, e acho que há um caminho a seguir como alternativa às termelétricas. É bom chegar a esse ponto. Seria ótimo se pudéssemos ampliar e mudar o mundo. "