Cientistas norte-americanos descobriram uma nova maneira de concentrar o calor do sol sem o uso de espelhos. A novidade deve permitir uma forma mais simples e barata de aproveitar a energia solar.
O dispositivo criado foi descrito em um relatório na revista Nanoscale Research Letters, por Peter Bermel e outros pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
Um dos métodos tradicionais de aproveitamento da energia solar envolve o uso de células fotovoltaicas (PV), materiais que captam a luz solar e a transformam em eletricidade.
Outros métodos térmicos solares usam uma matriz de espelhos para focar e concentrar a luz solar, o suficiente para ferver a água e executar uma turbina a vapor para gerar eletricidade.
Uma terceira abordagem menos comum é a utilização de dispositivos chamados termofotovoltaicos (TPV, sigla em inglês). Que são dispositivos no estado sólido, que geram eletricidade diretamente a partir do calor emitido pelo sol ou qualquer outra fonte de calor radiante, como combustível.
O princípio básico de seu funcionamento é semelhante ao das células fotovoltaicas tradicionais com a diferença que o calor radiante não é absorvido diretamente pelo material fotovoltaico, mas sim por um absorvente seletivo na sua camada superior, fazendo com que emitam luz, que é então convertida em eletricidade pela célula fotovoltaica.
Bermel explica que se você colocar um material de absorção de luz e calor comum, de cor escura, em luz solar direta, "não pode ficar muito mais quente do que água fervente", porque o objeto irá irradiar calor quase tão rápido quanto irá absorvê-lo.
Mas para gerar energia de forma eficiente, você precisa de temperaturas muito mais elevadas do que isso. Ao concentrar a luz solar com espelhos parabólicos ou uma grande variedade de espelhos planos, é possível obter temperaturas muito mais elevadas - mas às custas de um sistema muito maior e mais complexo.
"O que eu estou procurando é uma alternativa para esse paradigma concentrando a luz solar térmica", diz Bermel. A proposta é capturar a luz e refleti-la de volta ao material. O resultado, diz ele, é que o dispositivo pode absorver tanto calor como um objeto preto padrão, mas "na prática, podemos deixá-lo extremamente quente, e não irradiar grande parte desse calor", explicou.
Para a operação eficiente do sistema TPV, o material que absorve e emite radiação de calor deve operar em altas temperaturas, o que significa que estes dispositivos solares também requerem o uso de espelhos para concentrar a luz do sol e assim fornecerem temperaturas razoáveis.
Os pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de construir dispositivos TPV solares sem a necessidade de grandes e caros espelhos para concentrar a luz do sol.
Eles conseguiram isso usando o chamado cristal fotônico e adequando sua estrutura de tal forma que o calor absorvido é impedido de escapar do material. Assim é possível atingir temperaturas muito altas.
Isso, dizem os pesquisadores, é um pouco parecido com o efeito estufa, onde a radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra é impedida de escapar, pelos gases de efeito estufa, assim, o calor fica preso e o planeta aquecido.
No caso dos dispositivos TPV, esse bloqueio é feito por uma série de furos microscópicos precisamente espaçados, no cristal fotônico, que permite que os raios caiam dentro de uma faixa muito pequena de ângulos para escapar, enquanto o restante permanece no material, aquecendo-o.
Segundo os pesquisadores, a geometria - precisamente projetada do material fotônico, preferencialmente emite luz em uma direção e comprimento de onda que é ideal para a conversão fotovoltaica.
Isso permite que o dispositivo converta em média 36% da energia solar incidente em eletricidade - que é maior do que o máximo teórico que poderia ser alcançado pelas células solares fotovoltaicas tradicionais.
"Em grande escala [o sistema], é eficiente o suficiente para competir com as formas mais convencionais de energia. Esta é uma alternativa para concentradores", declarou Bermel. Segundo o relatório, estes dispositivos TPV podem ser fabricados usando tecnologia de fabricação-padrão de chip.
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