p (PhysOrg.com) - Físicos da Universidade do Arizona descobriram uma nova maneira de coletar calor residual e transformá-lo em energia elétrica. Aproveitando os efeitos quânticos, a tecnologia é uma grande promessa para a fabricação de carros, usinas de energia, fábricas e painéis solares mais eficientes. p O que um motor de carro, uma usina de energia, uma fábrica e um painel solar têm em comum? Todos eles geram calor - muito do qual é desperdiçado.

p Os físicos da Universidade do Arizona descobriram uma nova maneira de coletar o calor residual e transformá-lo em energia elétrica.

p Usando um modelo teórico de um dispositivo denominado termoelétrico molecular, a tecnologia é uma grande promessa para a fabricação de carros, usinas de energia, fábricas e painéis solares mais eficientes, para citar alguns aplicativos possíveis. Além disso, materiais termoelétricos mais eficientes fariam clorofluorocarbonos destruidores da camada de ozônio, ou CFCs, obsoleto.

p O grupo de pesquisa liderado por Charles Stafford, professor associado de física, publicou suas descobertas na edição de setembro da revista científica, ACS Nano .

p "A termoeletricidade torna possível converter calor diretamente em energia elétrica em um dispositivo sem partes móveis, "disse o autor principal Justin Bergfield, candidato a doutorado na UA College of Optical Sciences.

p "Nossos colegas de campo nos dizem que estão bastante confiantes de que os dispositivos que projetamos no computador podem ser construídos com as características que vemos em nossas simulações."

p "Antecipamos que a tensão termoelétrica usando nosso projeto seja cerca de 100 vezes maior do que o que outros conseguiram no laboratório, "Stafford acrescentou.

p Pegar a energia perdida com o calor residual está na lista de desejos dos engenheiros há muito tempo, mas, até aqui, falta um conceito de substituição de dispositivos existentes que seja mais eficiente e economicamente competitivo.

p Ao contrário dos dispositivos de conversão de calor existentes, como geladeiras e turbinas a vapor, os dispositivos de Bergfield e Stafford não requerem nenhuma mecânica e nenhum produto químico que destrua a camada de ozônio. Em vez de, um polímero semelhante a borracha imprensado entre dois metais que atuam como eletrodos pode fazer o truque.

p Tubos de escapamento de carros ou fábricas podem ser revestidos com o material, menos de 1 milionésimo de polegada de espessura, para colher a energia perdida na forma de calor e gerar eletricidade.

p Os físicos tiram proveito das leis da física quântica, um domínio que normalmente não é explorado ao se projetar a tecnologia de geração de energia. Para os não iniciados, as leis da física quântica parecem ir contra a maneira como as coisas "deveriam" se comportar.

p A chave para a tecnologia está em uma lei quântica que os físicos chamam de dualidade onda-partícula:objetos minúsculos, como elétrons, podem se comportar como uma onda ou como uma partícula.

p "Num sentido, um elétron é como um carro esporte vermelho, "Bergfield disse." O carro esporte é um carro e é vermelho, assim como o elétron é uma partícula e uma onda. Os dois são propriedades da mesma coisa. Os elétrons são menos óbvios para nós do que os carros esportivos. "

p Bergfield e Stafford descobriram o potencial para converter calor em eletricidade quando estudaram éteres polifenílicos, moléculas que se agregam espontaneamente em polímeros, longas cadeias de unidades repetidas. A espinha dorsal de cada molécula de éter polifenílico consiste em uma cadeia de anéis de benzeno, que por sua vez são construídos a partir de átomos de carbono. A estrutura do elo da cadeia de cada molécula atua como um "fio molecular" através do qual os elétrons podem viajar.

p "Nós dois tínhamos trabalhado com essas moléculas antes e pensado em usá-las em um dispositivo termoelétrico, "Bergfield disse, "mas não tínhamos encontrado nada de especial sobre eles até Michelle Solis, um estudante de graduação que trabalhou em estudos independentes no laboratório, descobriu que, baixo e eis, essas coisas tinham uma característica especial. "

p Usando simulações de computador, Bergfield então "cresceu" uma floresta de moléculas ensanduichadas entre dois eletrodos e expôs a matriz a uma fonte de calor simulada.

p "Conforme você aumenta o número de anéis de benzeno em cada molécula, você aumenta a energia gerada, "Bergfield disse.

p O segredo da capacidade das moléculas de transformar calor em energia está em sua estrutura:como a água que atinge a bifurcação de um rio, o fluxo de elétrons ao longo da molécula é dividido em dois, uma vez que encontra um anel de benzeno, com um fluxo de elétrons seguindo ao longo de cada braço do anel.

p Bergfield projetou o circuito do anel de benzeno de tal forma que, em um caminho, o elétron é forçado a percorrer uma distância maior ao redor do anel do que no outro. Isso faz com que as duas ondas de elétrons fiquem fora de fase, uma vez que se reúnem ao atingir o lado oposto do anel de benzeno. Quando as ondas se encontram, eles se cancelam em um processo conhecido como interferência quântica. Quando uma diferença de temperatura é colocada em todo o circuito, esta interrupção no fluxo de carga elétrica leva ao acúmulo de um potencial elétrico - voltagem - entre os dois eletrodos.

p A interferência de ondas é um conceito explorado por fones de ouvido com cancelamento de ruído:as ondas sonoras que chegam são recebidas com contra-ondas geradas pelo dispositivo, apagando o ruído ofensivo.

p "Somos os primeiros a aproveitar a natureza ondulatória do elétron e desenvolver um conceito para transformá-lo em energia utilizável, "Stafford disse.

p Análogo ao estado sólido versus memória de computador do tipo de disco rígido giratório, os dispositivos termoelétricos projetados em UA não requerem peças móveis. Por design, eles são independentes, mais fácil de fabricar e manter em comparação com a tecnologia disponível atualmente.

p "Você poderia simplesmente pegar um par de eletrodos de metal e pintá-los com uma única camada dessas moléculas, "Bergfield disse." Isso lhe daria um pequeno sanduíche que atuaria como seu dispositivo termoelétrico. Com um dispositivo de estado sólido, você não precisa de agentes de resfriamento, você não precisa de remessas de nitrogênio líquido, e você não precisa fazer muita manutenção. "

p "Você poderia dizer, em vez de gás Freon, usamos gás de elétron, "Stafford acrescentou.

p "Os efeitos que vemos não são exclusivos das moléculas que usamos em nossa simulação, "Bergfield disse." Qualquer dispositivo de escala quântica onde você tem um cancelamento de carga elétrica fará o truque, contanto que haja uma diferença de temperatura. Quanto maior a diferença de temperatura, mais energia você pode gerar. "

p Dispositivos termoelétricos moleculares podem ajudar a resolver um problema que atualmente assola as células fotovoltaicas que captam energia da luz solar.

p "Os painéis solares esquentam muito e sua eficiência diminui, "Você poderia colher parte desse calor e usá-lo para gerar eletricidade adicional e, ao mesmo tempo, resfriar o painel e tornar seu próprio processo fotovoltaico mais eficiente", disse Stafford.

p "Com um dispositivo termoelétrico muito eficiente baseado em nosso projeto, você poderia alimentar cerca de 200 lâmpadas de 100 watts usando o calor residual de um automóvel, "disse ele." Dito de outra forma, pode-se aumentar a eficiência do carro em bem mais de 25 por cento, o que seria ideal para um híbrido, uma vez que já usa um motor elétrico. "

p Então, da próxima vez que você assistir a um carro esporte vermelho passando, pense no poder oculto do elétron e em como um carro esporte poderia ser muito mais eficiente com um dispositivo termoelétrico enrolado em seu cano de escapamento.