Células termofotovoltaicas geram eletricidade no escuro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/06/2016

O material, feito com estruturas em nanoescala, apresenta uma forma inédita de irradiação do calor. [Imagem: Sergey S. Kruk et. al. - 10.1038/ncomms11329]

Células termofotovoltaicas

Físicos descobriram novas propriedades radicais em um nanomaterial que abre novas possibilidades para a construção de células termofotovoltaicas de alta eficiência.

Diferentemente das células fotovoltaicas tradicionais, que transformam a luz do Sol em eletricidade, as termofotovoltaicas capturam o calor, na forma de radiação infravermelha, o que permite que elas funcionem no escuro.

As previsões indicam que as células termofotovoltaicas podem ser mais de duas vezes mais eficientes do que as células solares. Elas podem ser combinadas com um queimador para produzir energia sob demanda ou podem reciclar o calor irradiado por motores quentes e caldeiras de fábricas, por exemplo.

Focalização do calor

Para permitir que essas células funcionem no escuro, a equipe das universidades Nacional Australiana e da Califórnia em Berkeley (EUA) desenvolveu um novo material artificial, ou metamaterial, que brilha de uma maneira incomum quando aquecido.

Formado por estruturas nanoscópicas de ouro e fluoreto de magnésio, o metamaterial irradia o calor em direções específicas, o que permite focar o calor diretamente na célula, otimizando sua conversão em eletricidade.

A geometria do metamaterial também pode ser ajustada para liberar radiação em uma faixa de frequência específica, ao contrário dos materiais convencionais, que liberam o calor em todas as direções na forma de uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos. Isto faz com que o metamaterial seja ideal para o uso como um emissor trabalhando associado com as células termofotovoltaicas.

Dispersão hiperbólica magnética

A chave para o comportamento notável do metamaterial é a sua propriedade física inédita, batizada de "dispersão hiperbólica magnética".

A dispersão descreve as interações da luz com os materiais e pode ser visualizada como uma superfície tridimensional que representa como a radiação eletromagnética propaga em diferentes direções.

Para os materiais naturais, como o vidro ou os cristais, as superfícies de dispersão têm formas simples, esféricas ou elipsoidais. A dispersão do novo metamaterial é totalmente diferente, assumindo a forma hiperbólica, o que é resultado de interações extremamente fortes do material com o componente magnético da luz.

Segundo a equipe, a eficiência das células termofotovoltaicas feitas com base no metamaterial podem ser ainda mais otimizadas se o emissor e o receptor estiverem muito próximos. Nesta configuração, a transferência de calor por radiação entre eles pode ser mais do que dez vezes mais eficiente do que entre os materiais convencionais.

Bibliografia:

Magnetic hyperbolic optical metamaterials
Sergey S. Kruk, Zi Jing Wong, Ekaterina Pshenay-Severin, Kevin O'Brien, Dragomir N. Neshev, Yuri S. Kivshar, Xiang Zhang
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 11329
DOI: 10.1038/ncomms11329