Máquinas e dispositivos eletrônicos geralmente geram calor residual que é difícil de utilizar. Se a eletricidade pudesse ser gerada a partir desse calor residual, ofereceria um meio para uma produção de energia limpa e sustentável:essa tecnologia seria ideal para aplicações eletrônicas de baixa potência, como dispositivos vestíveis ou dispositivos de Internet das Coisas de baixo custo. Isso inclui, por exemplo, dispositivos e sensores vestíveis (médicos), com uma ampla gama de aplicações na indústria de saúde e esportes, em edifícios inteligentes e aplicações de mobilidade.
Geradores termoelétricos, máquinas que geram eletricidade explorando diferenças de temperatura, já existem, mas sua eficiência de conversão é geralmente baixa e apenas pouca eletricidade é produzida. Gerar mais eletricidade exigiria materiais que tivessem simultaneamente alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. Esses dois requisitos, no entanto, muitas vezes são mutuamente exclusivos.

Pontos quânticos como solução

Nos últimos anos, vários grupos de pesquisa em todo o mundo mostraram que a conversão termoelétrica pode ser bastante aprimorada pela exploração de efeitos quânticos. Por exemplo, usando pontos quânticos que atuam como filtros de energia altamente seletivos, foram relatados aumentos drásticos na eficiência de conversão, alguns até se aproximando de alguns dos limites estabelecidos pelas leis da termodinâmica. O problema:as máquinas quânticas, também chamadas de motores térmicos quânticos, precisam ser resfriadas a temperaturas alguns graus acima do zero absoluto – então algo assim dificilmente é útil na vida cotidiana.

Pesquisadores do Empa podem ser capazes de superar esse problema e criar um motor de calor quântico que funcione à temperatura ambiente. Mickael L. Perrin, pesquisador do Laboratório de Transportes em Nanoescala da Empa, liderado por Michel Calame, teve a ideia de usar nanofitas de grafeno – especialidade da Empa. As primeiras nanofitas de grafeno foram sintetizadas por outro grupo de pesquisa da Empa:Roman Fasel e seus colegas do laboratório Nanotech@Surfaces da Empa. Há vários anos, os pesquisadores do Empa trabalham em diferentes abordagens para criar dispositivos eletrônicos a partir dessas nanofitas.

Operação em temperatura ambiente usando nanofitas de grafeno

Mickael L. Perrin foi capaz de fazer nanofitas de grafeno se comportarem como pontos quânticos antes, com alguns deles estáveis ​​até uma temperatura de -123 graus Celsius, ou seja, em temperaturas muito mais altas do que os pontos quânticos usados ​​​​antes para conversão termoelétrica. Agora, o objetivo é integrar essas nanofitas de grafeno em um motor de calor quântico e fazê-lo funcionar à temperatura ambiente. Como as nanofitas têm apenas alguns nanômetros de tamanho, o contato com elas exigirá o desenvolvimento de técnicas especiais de fabricação, que serão implementadas no Binnig and Rohrer Nanotechnology Center no IBM Research Center em Rüschlikon. Além disso, serão necessários sistemas de medição personalizados para caracterizar a eficiência de conversão de energia.

Se tudo correr como planejado, Perrin pode criar um pequeno motor térmico em um chip nos próximos anos. Não só poderia gerar eletricidade a partir do calor residual, mas, inversamente, invertendo o princípio de operação, seria adequado para um resfriamento eficiente.

Com suas duas bolsas de pesquisa bem-sucedidas, Mickael L. Perrin iniciará sua cátedra assistente na ETH Zurich, no Departamento de Tecnologia da Informação e Engenharia Elétrica, nos próximos meses. Nos próximos anos, continuará suas pesquisas na Empa, onde estão disponíveis equipamentos de última geração para a caracterização termoelétrica de motores térmicos quânticos.

Esperamos que seja apenas uma solução temporária

O financiamento para o projeto de Perrin vem do SNSF e da Secretaria de Estado de Educação, Pesquisa e Inovação (SERI). Devido ao fracasso do acordo-quadro entre a Suíça e a UE, a Suíça está excluída do atual programa de pesquisa europeu, Horizon Europe. Para participar, as doações iniciais do ERC são financiadas diretamente pela SERI este ano. Esta é a única maneira de manter jovens pesquisadores altamente talentosos na Suíça. Para receber o financiamento alocado diretamente da UE, Mickael L. Perrin e os outros 27 bolsistas da Suíça teriam que se mudar para uma universidade estrangeira que faz parte do Espaço Europeu de Pesquisa. + Explorar mais

Novo modelo técnico-econômico otimiza tecnologias de conversão de calor residual