Tópico: Sistema quântico recicla o calor e gera eletricidade

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Sistema quântico recicla o calor e gera eletricidade


Mais da metade da energia gerada no mundo é simplesmente jogada fora, a maior parte desse desperdício dando-se na forma de calor. Uma nova pesquisa dá esperanças concretas de acabar com esse desperdício. [Imagem: MIT]

Desperdício de energia

O homem não precisaria estar tão preocupado com suas próprias responsabilidades sobre as mudanças climáticas, com os apagões e com o retorno da energia nuclear, se conseguisse ao menos diminuir o desperdício de energia.

Mais da metade da energia gerada no mundo todo é simplesmente jogada fora, a maior parte desse desperdício dando-se na forma de calor. Os motores dos carros esquentam, os processadores dos computadores esquentam, os telefones celulares esquentam - tudo isso significa energia sendo constantemente desperdiçada.

Reciclagem do calor

É por isto que cientistas do mundo inteiro pesquisam formas de melhorar a eficiência energética de todo tipo de equipamento. Se houver uma forma de coletá-lo e reaproveitá-lo - fazendo literalmente uma reciclagem do calor - poderemos dispor de carros mais eficientes, computadores que não aquecem e celulares cujas baterias durarão várias vezes mais, apenas para citar alguns exemplos.

Os candidatos naturais para esse papel de recicladores de calor são os materiais termoelétricos, materiais capazes de converter diretamente calor em eletricidade.

Inúmeros progressos têm sido feitos nas pesquisas com os materiais termoelétricos, com a ajuda inclusive da nanotecnologia, permitindo que os pesquisadores acenem com várias possibilidades técnicas, incluindo geladeiras de estado sólido, reaproveitamento do calor do motor dos carros e até telefones celulares que funcionam com o calor do corpo.

Limite de Carnot

A física afirma que há um limite para a conversão do calor em eletricidade. Segundo a teoria, a eficiência máxima que qualquer dispositivo pode alcançar na conversão do calor em trabalho nunca poderá exceder um valor específico, chamado Limite de Carnot - em referência ao físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot, que elaborou a teoria em 1824.

O problema é que os materiais termoelétricos que já atingiram o estágio de comercialização não alcançam nem 10% do limite de Carnot.

Ainda em estágio de laboratório, cientistas do MIT, nos Estados Unidos, divulgaram agora uma nova pesquisa que, segundo eles, poderá permitir a fabricação de materiais termoelétricos que atinjam até 90% do limite de Carnot.

A novidade, segundo Peter Hagelstein, que chefiou a equipe que desenvolveu o novo material, exigiu que se abandonasse tudo o que foi feito até aqui em termos de materiais termoelétricos, começando a pesquisa a partir do zero.

Diodos termais

A nova tecnologia se baseia no que os pesquisadores chamam de diodos termais. Em seus experimentos, eles fabricaram versões desses componentes que atingem 40% do limite de Carnot, embora seus modelos teóricos lhes garantam que é possível fazer muito mais - 40% do limite de Carnot, por si só, já seria uma revolução em um material que pudesse alcançar a escala comercial, sendo mais de quatro vezes mais eficiente do que qualquer material disponível hoje.

Para começar do zero, os cientistas foram ao nível mais elementar que a tecnologia atual permite. Eles começaram usando um sistema extremamente simples, no qual a energia era gerada por um único ponto quântico - um tipo de semicondutor no qual os elétrons e as lacunas, responsáveis pela transmissão das cargas elétricas, são confinados em três dimensões - uma espécie de "solitária quântica".

Controlando cada uma das propriedades do ponto quântico, os pesquisadores queriam entender os princípios mais fundamentais da conversão termoelétrica, o que eventualmente poderá levar à fabricação de materiais que façam essa conversão com alta eficiência.

Paciência

No nível já alcançado, em termos experimentais, os pesquisadores afirmam que é possível converter calor em eletricidade com alta eficiência, mas com baixa potência, usando o seu minúsculo sistema. Por outro lado, é possível gerar alta potência em um sistema maior, mas de forma menos eficiente.

"[Por enquanto] é uma permuta. Você pode ter ou alta eficiência ou alta potência," disse Hagelstein. Mas sua teoria sustenta que os diodos termais têm potencial para oferecer as duas coisas simultaneamente - como fazer isto é uma questão tecnológica, que será vencida com o tempo.

Quanto tempo? Impossível afirmar, dizem os pesquisadores, mas há muitos grupos trabalhando no aprimoramento e desenvolvimento dos pontos quânticos, por várias razões e com vários interesses diferentes, o que abre boas possibilidades de vermos avanços na área. "Ainda estamos há alguns anos de vermos nossos materiais termoelétricos de alta eficiência no mercado," concluem eles.

Bibliografia:
Quantum-coupled single-electron thermal to electric conversion scheme
Yan Kucherov, Peter Hagelstein
Journal of Applied Physics
November 2009
Vol.: 106, 094315 (2009)
DOI: 10.1063/1.3257402

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=sistema-quantico-recicla-calor-gera-eletricidade&id=010115091210

[Eremita]

O próximo passo, agora, deveria ser a gente [humanidade] parar com a pachorra de converter energias diversas diretamente em calor, e ao invés disso, aproveitar o calor que inevitavelmente é gerado como subproduto pra isso.

[Unknown]

Outra notícia sobre reciclagem de energia

Tecnologia de resfriamento usa calor desperdiçado pelas CPUs


O material recebe a água quente vinda do processador e a vaporiza, tirando proveito da perda de calor durante essa vaporização - essa perda de calor resfria a água do circuito paralelo.[Imagem: Fujitsu]


Usar calor para produzir frio pode parecer um contra-senso.

Mas esta é justamente a inovação que acaba de ser desenvolvida pela empresa japonesa Fujitsu, inaugurando uma área emergente já conhecida como reciclagem de energia.

A tecnologia coleta o calor gerado pelos processadores de computador e usa essa energia para produzir água gelada, que pode então ser revertida para resfriar não apenas os próprios computadores, mas também o prédio inteiro.

A ideia de aproveitar o calor desperdiçado pelas CPUs - e por motores de automóveis, caldeiras e fornos industriais e até a energia térmica do Sol - está por trás do desenvolvimento dos materiais termoelétricos, capazes de converter diretamente calor em eletricidade.

Mas a inovação da Fujitsu surpreendeu por seguir uma linha diferente e mais simples, transformando diretamente a água quente em água fria, sem passar pela geração de eletricidade.

Isto torna o processo mais eficiente, evitando as perdas de conversão em cada etapa.

Reciclagem de energia

Segundo a empresa, o sistema gera água gelada com uma capacidade termal equivalente a 60% do calor desperdiçado que entra no sistema.

Este é um rendimento impressionante quando se considera que um motor de automóvel não aproveita mais do que 30% da energia contida na gasolina ou que as células solares aproveitam entre 20 e 30% da energia luminosa que incide sobre elas.

Ainda pelos cálculos da Fujitsu, a tecnologia pode reduzir o consumo de um datacenter em 20%.

O projeto da empresa é usar a água fria para alimentar o sistema de ar condicionado, e não revertê-la para resfriar os próprios computadores. Mas outros usos já estão sendo planejados.

Material termo-absorvente

O grande segredo da inovação é um novo material capaz de extrair calor da água em temperaturas muito baixas, ao redor de 55°C.

É essa capacidade de captação do calor a baixa temperatura que viabilizou a tecnologia, uma vez que ela é menor do que a temperatura da água que pode ser coletada dos sistemas de resfriamento a água de processadores, temperatura esta que pode variar dependendo da carga de trabalho do processador.

O material recebe a água quente vinda do processador e a vaporiza, tirando proveito da perda de calor durante essa vaporização - essa perda de calor resfria a água do circuito paralelo.

Partindo de um suprimento de água com temperatura entre 40°C e 55°C, que é a temperatura de operação do novo material, é possível produzir um fluxo contínuo de água no circuito secundário com temperatura entre 15°C e 18°C, dentro dos padrões de funcionamento dos sistemas de ar condicionado.

Escala industrial

Tendo comprovado o funcionamento da tecnologia em padrões reais de operação, a empresa afirma que agora vai começar a trabalhar na produção dos sistemas em escala industrial, que deverão chegar ao mercado em 2014.

O sistema será voltado não apenas para datacenters, como também para fábricas, prédios de escritórios e usinas de energia solar.

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tecnologia-resfriamento-calor-desperdicado-cpus&id=010150111116