Materiais termoelétricos transformam radiador do carro em gerador de energia

Apesar de todos os avanços tecnológicos, os motores dos carros atuais conseguem retirar apenas 30% da energia contida na gasolina. Os restantes 70% são perdidos na forma de calor.
Agora cientistas das universidades do Oregon, Estados Unidos, e do Conselho de Pesquisas da Austrália, trabalhando conjuntamente, descobriram não apenas como recuperar essa energia perdida pelos motores a combustão, mas também como retirar energia das fontes geotérmicas, uma forma de geração de energia limpa e renovável disponível em áreas vulcânicas.
Os cientistas criaram um novo tipo de material termoelétrico - ou material termogerador, capaz de converter calor em energia elétrica - utilizando nanofios. "[...] dispositivos termoelétricos nanoestruturados poderão ser práticos para aplicações como a recuperação do calor perdido nos motores de automóveis, resfriadores construídos diretamente dentro dos chips e refrigeradores domésticos mais compactos e silenciosos," explica Heiner Linke, um dos pesquisadores.
Ele e seu colega Tammy Humphrey descobriram que dois objetos podem ter diferentes temperaturas e ainda assim manterem o equilíbrio mútuo em nanoescala. Esse é um fenômeno crucial para que se possa atingir o desempenho necessário para o uso prático dos materiais termoelétricos na geração de energia elétrica e na refrigeração.
Imagine uma chavena de café sobre uma mesa: o café irá esfriar gradualmente porque as moléculas na chavena transferirão automaticamente o calor do café para a mesa, até atingir o equilíbrio térmico. Esse fenômeno é explicado pelas leis da termodinâmica: o calor irá sempre fluir do mais quente para o mais frio. O problema é que a energia gasta pelos elétrons para fazer essa transferência é simplesmente perdida.
Os materiais termoelétricos tentam recuperar essa energia convertendo-a em eletricidade. Mas eles não funcionam muito bem se o fluxo de calor for descontrolado. A descoberta feita por Humphrey e Linke envolve justamente o controle do movimento dos elétrons, utilizando materiais que são estruturados em nanoescala.
Eles demonstraram que, se uma tensão elétrica for aplicada a um sistema elétrico que tiver uma diferença de temperatura, é possível controlar elétrons que tenham uma energia específica. Isto significa que, se o material nanoestruturado for projetado para permitir apenas o fluxo desse tipo de elétron, atinge-se um novo tipo de equilíbrio, no qual os elétrons não migram espontaneamente do quente para o frio.
Como o sistema não ficará verdadeiramente em equilíbrio, o fluxo de elétrons pode ser revertido, permitindo que um equipamento funcione na eficiência máxima possível. Para os motores de carro, essa eficiência máxima é conhecida como limite de Carnot.
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia actual já possibilite que seus materiais nanoestruturados criem equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot. Os mais eficientes materiais termoelétricos conhecidos hoje atingem apenas 15% desse limite.

Cerâmica termoelétrica gera eletricidade a partir do calor

Cientistas do Instituto Nacional de Ciências e Tecnologias Industriais Avançadas do Japão, conseguiram construir um módulo capaz de converter calor em energia elétrica. O módulo de conversão termoelétrica é feito totalmente de material cerâmico. Os cientistas conseguiram eliminar totalmente a degradação normalmente associada a este tipo de material, causada pela oxidação.
Cientistas norte-americanos anunciaram recentemente a criação de um material termoelétrico, mas construído à base de nanofios (veja Materiais termoelétricos transformam radiador do carro em gerador de energia).
Embora já existam cerâmicas capazes de transformar calor em eletricidade, elas não chegaram ainda ao mercado devido a um sério problema de durabilidade: a oxidação faz com que elas deixem de funcionar muito rapidamente.
Já a nova cerâmica sintetizada pelos cientistas japoneses mantém seu desempenho mesmo sob operação em ar ambiente a 800° C. Além disso, ela não utiliza em sua composição materiais tóxicos ou metais raros, que poderiam inviabilizar sua utilização prática ou sua viabilidade económica.
Módulos termoelétricos construídos com a nova cerâmica poderão ser utilizados em inceneradores, fornos industriais, motores de automóveis e em qualquer outra fonte que libere calor como resultado de sua operação normal. Ao invés de desperdiçar esse calor excedente, ele poderá então ser transformado em energia elétrica.
Além disso, módulos portáteis poderão ser muito úteis em áreas de desastres ambientais, onde a infraestrutura de energia normalmente é destruída e de difícil recuperação; mas fontes de calor são sempre fáceis de serem criadas rapidamente.
Os módulos geradores termoelétricos são inteiramente cerâmicos, não possuindo partes móveis e efetuando a conversão direta de calor em eletricidade.
A cerâmica é feita de óxidos de tipos P e N, conectados alternadamente em série. Cada módulo é capaz de gerar 100 mV. O maior desafio para os pesquisadores foi criar conexões que permitissem a ligação de vários desses módulos para a geração de quantidades úteis de energia.
Por exemplo, para se fabricar um módulo de 4 Volts, ideal para o recarregamento de telefones celulares, é necessário a construção de 80 junções entre módulos. Qualquer problema em uma dessas junções pode reduzir a quantidade disponível de energia.

Nova bateria de longa vida terá durabilidade de décadas

Utilizando as mesmas técnicas de fabricação de chips de computadores, pesquisadores de várias universidades, trabalhando conjuntamente, criaram um novo dispositivo capaz de converter baixos níveis de radiação em eletricidade. O componente é um diodo de silício poroso que possui uma propriedade chamada betavoltaica.
Embora produza apenas um milésimo da potência das baterias e pilhas químicas, o novo conceito, batizado de betabateria, é mais eficiente e potencialmente muito mais barato e fácil de ser produzido. Quando totalmente desenvolvido, ele poderá ser uma solução definitiva para baterias de vida útil extremamente longa.
Sensores de longa duração para serem incorporados no interior de estruturas como pontes e viadutos, equipamentos de monitoramento climático em locais desabitados e satélites artificiais são apenas alguns dos exemplos de aplicações para estas baterias de longa duração.
O segredo da nova bateria está na natureza duradoura de seu principal componente, o trítio, um isótopo de hidrogênio que libera elétrons em um processo chamado decaimento beta. Os novos semicondutores de silício poroso geram eletricidade absorvendo elétrons, da mesma forma que as células solares geram eletricidade absorvendo fotões.
A betabateria não é a primeira a funcionar a partir de uma fonte radioativa, nem mesmo a primeira a utilizar trítio. Os cientistas vêm tentando converter radiação em eletricidade desde a invenção do transístor, há mais de 50 anos atrás. A criação de junções entre quantidades de um material rico em electrões e outro com falta, é a base do funcionamento de quase todos os componentes electrônicos.
Mas a nova bateria tem duas vantagens básicas: ela é extremamente fina, medindo menos de meio milímetro de espessura e tem altíssimo rendimento. No interior do material, os cientistas construíram uma rede de poros, o que aumentou enormemente a área superficial do silício, criando um componente que é 10 vezes mais eficiente do que os projetos anteriores de baterias planas que funcionam a partir de elétrons com decaimento beta.
"O trítio emite somente partículas beta de baixa energia (electrões), que podem ser barrados por blindagens muito finas, tal como uma folha de papel," explica Larry Gadeken, um dos autores da pesquisa, querendo destacar que o termo radiação não oferece riscos à saúde humana.
Mesmo se a nova bateria exigir uma embalagem hermeticamente fechada, tudo o que será necessário será um invólucro de plástico duro que conterá o trítio em sua própria estrutura. Ao contrário da pasta química das pilhas comuns, o plástico nunca irá "vazar".
"A configuração porosa tridimensional é excelente para absorver essencialmente toda a energia cinética da fonte de elétrons," afirmou Nazir Kherani, outro membro da equipe. Ao invés de absorver elétrons apenas na camada superficial do material, os canais profundos do silício poroso acomodam uma quantidade muito maior de radiação. Nos testes feitos pelos cientistas, quase todos os elétrons emitidos durante o decaimento beta do trítio foram absorvidos.
A betabateria poderá se mostrar insubstituível em tarefas onde a capacidade de fornecimento de energia das baterias químicas é limitada. Os dispositivos são robustos, operam bem entre -100° e +150° C, e poderão nunca precisar ser trocadas durante a vida útil do equipamento que forem abastecer.
A pesquisa reuniu cientistas da Universidade e do Instituto de Pesquisas de Rochester, Estados Unidos, e da Universidade de Toronto, Canadá. Para desenvolver e comercializar as betabaterias os cientistas criaram a empresa BetaBatt.

Combustível líquido semelhante ao diesel é produzido a partir de plantas

Estudantes da Universidade Wisconsin-Madison, Estados Unidos, descobriram uma nova forma para fabricar um combustível líquido semelhante ao óleo diesel, a partir de carboidratos comuns, encontrados em plantas.

Em um artigo publicado no exemplar de 3 de Junho da revista Science, os estudantes George Huber, Juben Chheda e Chris Barrett, orientados pelo professor James Dumesic, apresentaram detalhes de um reator catalítico de quatro fases no qual milho e outros carboidratos derivados de biomassa podem ser convertidos em alcanos livres de enxofre, resultando em um aditivo ideal para o óleo diesel utilizado como combustível.

"É um processo muito eficiente," afirmou Huber em um comunicado da Universidade. "O combustível produzido contém 90 por cento da energia contida no carboidrato e no hidrogénio que alimentam o processo. Ao olhar para uma fonte de carboidratos como o milho, o novo processo tem o potencial para criar o dobro da energia que é obtida quando o milho é utilizado para produzir etanol."

Cerca de 67 por cento da energia necessária para se produzir etanol é consumida no processo de fermentação e destilação do milho. Como resultado, a produção do etanol cria 1,1 unidade de energia para cada unidade de energia consumida.

No novo processo, os alcanos tão desejáveis separam-se espontaneamente da água, eliminando a necessidade de aquecimento e destilação. O resultado é a criação de 2,2 unidades de energia para cada unidade de energia consumida.

"O combustível que estamos produzindo armazena uma quantidade considerável de hidrogênio," afirmou Dumesic. "Cada molécula de hidrogênio é utilizada para converter cada átomo de carbono no carboidrato reagente para um alcano. É um rendimento muito grande. Nós não perdemos um grande volume de carbono."

Cerca de 75 por cento do peso seco das herbáceas e da biomassa oriunda da madeira é composta de carboidratos. Como o processo funciona com uma ampla faixa de carboidratos, uma grande variedade de plantas, e várias partes dessas plantas, podem ser empregadas para a produção do combustível.

Nova técnica simplifica produção de biodiesel

Um cientista do Serviço de Pesquisas Agrícolas dos Estados Unidos descobriu uma nova forma de produzir biodiesel que elimina uma etapa cara e problemática desse processo. A técnica permite a produção de biodiesel a partir da soja sem a utilização do hexano, um elemento altamente poluidor.
O hexano é um líquido inflamável e sem cor, derivado do petróleo. Ele é utilizado tradicionalmente para extrair triglicérides de óleos vegetais a partir da matéria-prima bruta, antes da fabricação do biodiesel.

O novo método, desenvolvido pelo bioquímico Michael Haas, elimina esse passo, substituindo-o pela incubação da soja com metanol e hidróxido de sódio, atualmente já utilizados para a extração de óleo.
Os pesquisadores acreditavam que a umidade naturalmente presente nos grãos de soja - cerca de 10 por cento no flocos de soja - iria exigir uma quantidade muito grande de metanol para que a reação pudesse acontecer.

Mas a utilização de flocos secos resolve o problema. Os custos de processamento utilizando flocos secos foram estimados pelo pesquisador em 1 € por cada 3,785 litros, cerca de 2 € a menos do que o biodiesel feito a partir da soja húmida.
A pesquisa foi publicada no exemplar de Abril da revista Agricultural Research

Iluminação de estado sólido torna-se mais eficiente e mais inteligente

As ineficientes lâmpadas incandescentes tornaram-se obsoletas depois do surgimento das lâmpadas fluorescentes compactas. Mas estas não deverão reinar por muito tempo: vêm aí as "lâmpadas sólidas", a geração futura dos já conhecidos LEDs ("Light Emmitting Diode"), as pequenas lâmpadas hoje presentes em todos os aparelhos eletrônicos.
As fontes de luz de estado sólido, que estão em fase de desenvolvimento, têm o potencial não apenas de uma eficiência energética muito superior às já comuns lâmpadas fluorescentes compactas, ou PL, como também poderão abrir campos de aplicação inimagináveis para suas antecessoras.
Em um artigo publicado na última sexta-feira (27/05), na revista Science, E. Fred Schubert e Jong Kyu Kim, do Instituto Politécnico Rensselaer, Estados Unidos, descreveram uma nova técnica que estão desenvolvendo, que deverá transformar as lâmpadas de estado sólido em "lâmpadas inteligentes."

As lâmpadas inteligentes deverão impactar áreas tão diversas quanto a medicina, o imageamento de corpos e objetos, os transportes, as comunicações e até mesmo a agricultura. A capacidade de controlar as propriedades básicas da luz - incluindo a distribuição espectral, a polarização e a temperatura da cor - irá permitir que essas novas lâmpadas ajustem-se aos seus ambientes, desempenhando funções que hoje são inimagináveis com as lâmpadas fluorescentes e incandescentes.
Por exemplo, essas novas fontes inteligentes de luz têm o potencial para ajustar o ritmo circadiano do ser humano - nossos ciclos de dormir e acordar -, permitindo que nos adaptemos a variações nos horários de trabalho, ou permitir que um automóvel se "comunique" de forma imperceptível com o veículo da frente, ou até mesmo possibilitar o crescimento de morangos em climas gelados.

Os LEDs já oferecem vantagens em termos de economia de energia quando comparados com as atuais fontes de luz, já que são beneficiados por leis básicas da física: esses princípios fundamentais colocam barreiras muito maiores à eficiência das lâmpadas tradicionais do que às lâmpadas de estado sólido.
Em teoria, lâmpadas de estado sólido construídas de materiais perfeitos podem ter a mesma luminosidade de uma lâmpada comum de 60 watts, gastando apenas 3 watts. Na prática, os novos semáforos de LED consomem apenas um décimo da energia dos antigos sinalizadores de trânsito.

Mas é a possibilidade de controlar as propriedades básicas da luz, como conteúdo espectral, padrão de emissão, polarização, temperatura da cor e intensidade que dá a essas novas fontes de luz a capacidade de desempenhar funções inteiramente novas.
Em seu artigo, os professores Schubert e Kim destacam algumas dessas novas fronteiras:
Pesquisas médicas recentes demonstraram que células do gânglios no olho humano, que estão envolvidas em nosso ritmo circadiano, são mais receptivos à luz na faixa do azul, como aquela que ilumina um dia com céu límpido e claro. O que diferencia essa luminosidade em especial é uma característica chamada temperatura da cor. Lâmpadas que se autoconfigurem para emitir luz nessa temperatura poderão beneficiar não apenas a saúde humana, mas também o nosso humor e nossa produtividade.

A capacidade para modular rapidamente fontes de luz baseadas em LEDs dá a essas "lâmpadas" a capacidade para piscar de forma tão rápida que seria imperceptível ao olho humano. Isto as torna adequadas para detectar e transmitir informações sem fios, sem alterar a iluminação do ambiente. Em automóveis, a luz de freio poderia transmitir ao veículo que vem atrás uma manobra brusca que acaba de ser iniciada pelo motorista.
A capacidade para controlar a composição espectral, a polarização e a temperatura da cor de luzes utilizadas em microscopia poderá melhorar muito a definição das imagens, permitindo a identificação em tempo real, contagem e seleção de células biológicas para aplicações médicas e de pesquisa.
O controle da composição espectral de luzes poderá permitir a criação de ambientes mais adequados ao crescimento de frutas e vegetais fora de suas estações naturais ou em climas inóspitos