Uma nova forma de gerar corrente elétrica

Massachusetts
Institute of Technology

Pesquisador do MIT descobre uma nova maneira de produzir eletricidade

O fenômeno faz poderosas ondas de energia fluirem através de nano-tubos de carbono

CAMBRIDGE, Massachusets.— Uma equipe de cientistas do MIT descobriu um fenômeno, até então desconhecido, que pode fazer com que poderosas ondas de energia fluam através de minúsculos fios conhecidos como nano-tubos de carbono. Esta descoberta pode conduzir a uma nova maneira de produzir eletricidade, dizem os pesquisadores.

O fenômeno, descrito como ondas de termo-energia, “abre uma nova área de pesquisa sobre energia, o que é raro”, nas palavras de Michael Strano, Professor Associado Charles
and Hilda Roddey de Engenharia Química do MIT, autor senior de um artigo que descreve a nova decoberta em Nature Materials na edição de 7 de março. O autor principal é Wonjoon Choi, um estudante de pós-doutorado de engenharia mecânica.

Do mesmo jeito que um punhado de detritos flutuantes empurrados pelas ondas pela superfície do oceano, ocorre que uma onda térmica — um pulso de calor em movimento — ao viajar ao longo de um fio microscópico, pode levar consigo elétrons, criando uma corrente elétrica.

O ingerdiente chave na receita são os nano-tubos de carbono — tubos ocos sub-micros­cópicos feitos de uma grade semelhante a um alambrado, feita de átomos de carbono. Esses tubos, com apenas alguns nanômetros de diâmetro, fazem parte de uma nova família de moléculas de carbono que inclui as buckyballs¹ e as folhas de grafeno, que têm sido objeto de intensas pesquisas nas últimas duas décadas.

Nas novas experiências, cada um dos nano-tubos eletro e termo-condutores foi revestido com uma camada de um combustível altamente reativo que produz calor com sua decomposição. Esse combustível foi aceso em uma extremidade do nano-tubo, tanto com o uso de um feixe laser, como por uma centelha de alta voltagem, e o resultado foi a criação de uma onda térmica que se movia rapidamente ao longo do comprimento do nano-tubo de carbono, tal como uma chama correndo por um pavio. O calor do combustível vai para dentro do nano-tubo, onde viaja a milhares de vezes mais rápido do que o próprio combustível. Quando o calor realimenta o revestimento inflamável, cria-se uma onda térmica que é guiada ao longo do nano-tubo. Com uma temperatura da ordem de 3.000 kelvins, esse anel de calor acelera ao longo do tubo 10.000 vezes mais rápido do que a disseminação normal dessa reação química. E o calor produzido por essa combustão, descobriu-se, também empurra elétrons ao longo do tubo, criando uma corrente elétrica substancial.

As ondas de combustão — tais como este pulso de calor correndo ao longo de um fio —
“foram estudadas matematicamente por mais de 100 anos”, diz Strano, mas ele foi o primeiro a predizer que tais ondas poderiam ser guiadas por um nano-tubo ou nano-fio e que essa onda de calor poderia empurrar uma corrente elétrica ao longo desse fio.²

Nas primeiras experiências do grupo, relata Strano, quando eles ligaram os nano-tubos de carbono com o revestimento de combustível para estudar a reação, “lo and behold, ficamos realmente surpresos com o tamanho do pico de voltagem resultante” que se propagou ao longo do fio.

Após desenvolvimentos posteriores, o sistema gera energia, em proporção a seu peso, cerca de 100 vezes maior do que o peso equivalente de uma bateria de íons de lítio.

Segundo ele, a quantidade de energia gerada é muito maior do que a prevista pelos cálculos termo-elétricos. Embora muitos materiais semi-condutores possam produzir um potencial elétrico quando aquecidos, através de algo conhecido como Efeito Seebeck, este efeito é muito fraco no carbono.
“Algo [mais] está acontecendo aqui”, argumenta ele. “Nós chamamos isso de acoplamento de elétrons, uma vez que parte da corrente parece em fase com a velocidade de onda”.

Ele explica que a onda térmica parece estar acoplando os portadores de carga elétrica (tanto elétrons como os buracos-de-elétrons) da mesma forma que uma onda no oceano pode pegar e carrregar uma pilha de detritos ao longo da superfície. Segundo Strano, esta propriedade importante é a responsável pela alta potência produzida pelo sistema.

Segundo ele, já que se trata de uma descoberta tão recente, é difícil predizer quando terá aplicações práticas. Mas ele sugere que uma possível aplicação seria permitir novos tipos de dispositivos eletrônicos ultra-pequenos — por exemplo, um dispositivo do tamanho de um grão de arroz, talvez um sensor ou dispositivo de tratameno que pudesse ser injetado no corpo. Ou poderia levar a “sensores ambientais que pderiam ser espalhados como poeira pelo ar”, nas palavras dele.

Ele afirma ainda que, em teoria, tais dispositivos poderiam manter sua energia indefinidamente até serem empregados, diferentemente das baterias cujas cargas escapam gradualmente, mesmo quando estão armazenadas. E, embora os nano-fios ainda sejam pequeninos, Strano sugere que eles poderiam ser fabricados em dispositivos maiores, a fim de fornecer significativas quantidades de energia para dispositivos maiores.

Uma área que os pesquisadores planejam perseguir é o fato de que sua teoria prediz que usando-se diferentes tipos de material reagente para o revestimento, a frente de onda poderia oscilar, poroduzindo assim uma corrente alternada. Isso abriria uma série de possibilidades, segundo Strano, porque a corrente alternada é a base para ondas de rádio tais como a de transmissões de telefones celulares, no entanto todos os atuais sistemas de armazenamento de energia produzem corrente contínua. “Nossa teoria predisse essas oscilações antes de começarmos a observá-las em nossos dados”, completa ele.

Igualmente, as presentes versões do sistema têm uma eficiência muito baixa, porque muito da energia se perde na forma de luz e calor. A equipe planeja trabalhar no aumento dessa eficiência.

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Financiamento: Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e Fundação Nacional de Ciências

Original em inglês escrito por David Chandler, MIT News Office


[1] Eu preferi o termo buckyball em inglês, para este tipo de fulereno porque “futeboleno” é a vovozinha!…

[2] Nada de falsa modéstia!

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