A emissão térmica é irradiada pela parte superior, mantendo-a fria, enquanto a luz solar é absorvida pela parte inferior, mantendo essa parte aquecida. O gradiente de temperatura é o responsável pela geração de uma corrente de spin que é convertida em eletricidade.
[Imagem: Ken-ichi Uchida]

Célula coleta dois tipos de energia

Um novo dispositivo capaz de coletar dois tipos de energia abre o caminho para a geração de eletricidade limpa e renovável 24 horas por dia.

Já sabemos há pelo menos 200 anos que a eletricidade pode ser gerada a partir de um gradiente de temperatura, um fenômeno conhecido como geração termoelétrica. Mais recentemente, os pesquisadores vêm desenvolvendo tecnologias de conversão termoelétrica alterando parâmetros dos materiais e introduzindo novos princípios.

Por exemplo, materiais magnéticos podem gerar uma tensão termoelétrica induzindo um fluxo de spins de elétrons ao longo de um gradiente de temperatura, chamado efeito de spin Seebeck. E simplesmente aumentar o comprimento de um componente perpendicularmente ao gradiente aumenta a voltagem.

Tem havido grande esforço para criar dispositivos termoelétricos finos e mais eficientes com base no efeito spin Seebeck. Contudo, quanto mais fino o componente, mais difícil se torna manter um gradiente de temperatura entre sua parte superior e sua parte inferior.

Absorção e liberação de energia

Satoshi Ishii e seus colegas do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão acabam de resolver esse problema criando uma célula com camadas magnéticas que resfria continuamente na parte superior e absorve o calor do Sol na parte inferior.

Várias equipes estão trabalhando em células que capturam calor do Sol e o frio do espaço ao mesmo tempo.
[Imagem: Linda Cicero/Stanford]

Dessa forma, a célula termossolar coleta dois tipos de energia: O resfriamento radiativo ocorre na parte superior, conforme o calor é liberado do material na forma de radiação infravermelha, enquanto a radiação solar é captada na parte inferior.

"O resfriamento radiativo diurno e o aquecimento solar têm sido usados para melhorar uma variedade de aplicações termoelétricas. Mas o nosso dispositivo usa os dois tipos de energia simultaneamente para gerar uma tensão termoelétrica," destacou Ishii.

Geração termoelétrica solar

A célula termossolar possui quatro camadas. A camada superior é um paraímã fraco, feito de granada de gálio e gadolínio. Essa camada paramagnética é transparente à luz do Sol e emite radiação térmica para o espaço, ficando mais fria - este é o princípio da refrigeração passiva.

A luz solar atravessa a camada ferromagnética seguinte, feita de granada de ítrio-ferro. Essa camada também é transparente, então a luz continua a viajar para as duas camadas inferiores de absorção de luz, feitas de platina paramagnética e tinta de corpo negro.

A seção inferior permanece quente devido à absorção da luz solar. A corrente de spin é gerada na camada ferromagnética devido ao gradiente de temperatura entre a parte superior e a inferior da célula e é convertida em tensão elétrica na camada de platina paramagnética.

A célula termossolar funciona melhor em dias claros, uma vez que as nuvens reduzem o gradiente de temperatura que se consegue alcançar, além de bloquear a radiação infravermelha emitida, que deve passar pela atmosfera e escapar pelo espaço, o que reduz o aquecimento radiativo.

Embora promissora, a eficiência de geração termoelétrica da célula ainda é bastante baixo. A equipe planeja aumentar sua eficiência melhorando o projeto, experimentando diferentes combinações de materiais e desenvolvendo estratégias ainda mais inovadoras para a geração termoelétrica solar.

Com as melhorias necessárias para seu prático em larga escala, esse componente poderá ser usado para alimentar pequenos aparelhos, como aqueles da internet das coisas e todos os tipos de sensores.