Termoeletricidade

A termoeletricidade converte uma diferença de temperatura diretamente em tensão elétrica — sem turbina, sem pistão, sem uma única peça móvel. Ela é, assim, a técnica mais antiga e mais bem comprovada daquela família de procedimentos à qual pertence também a neutrinovoltaica: corrente a partir daquilo que já está ali de qualquer forma.

O efeito Seebeck

O processo fundamental foi descoberto por Thomas Johann Seebeck no ano de 1821. Se dois condutores diferentes são unidos formando um circuito e os dois pontos de junção são mantidos a temperaturas diferentes, circula uma corrente.

A razão é ilustrativa: no lado quente os portadores de carga têm mais energia de movimento e migram para o lado frio. Ali eles se acumulam, e surge uma tensão. O quanto ela é grande é descrito pelo coeficiente Seebeck do material, medido em microvolts por kelvin.

O caminho inverso funciona igualmente: se uma corrente é enviada através dele, um lado fica frio. Esse é o efeito Peltier, aproveitado por qualquer pequena caixa térmica elétrica.

A figura de mérito ZT

O quanto um material serve para a termoeletricidade é resumido por um único número adimensional:

ZT = S²σT / κ

Nele, S designa o coeficiente Seebeck; σ, a condutividade elétrica; κ, a condutividade térmica; e T, a temperatura.

Nessa fórmula se vê o problema central da disciplina. É preciso um material que conduza bem a corrente, mas mal o calor — e na maioria das substâncias as duas condutividades andam de mãos dadas, porque são os mesmos elétrons os responsáveis por ambas. A disciplina busca há décadas materiais que rompam esse acoplamento.

O telureto de bismuto, o clássico para a temperatura ambiente, alcança um ZT em torno de 1. Isso corresponde a rendimentos de cerca de 5 a 8 por cento. Valores de laboratório acima de 2 já foram alcançados, mas raramente estáveis e raramente baratos.

Onde está em uso

Apesar do rendimento modesto, a termoeletricidade é imbatível onde a confiabilidade está acima de tudo:

Voo espacial. As baterias de radionuclídeos das sondas Voyager trabalham desde 1977 — o plutônio-238 fornece calor, e os termopares fazem corrente a partir dele. Os rovers marcianos Curiosity e Perseverance usam a mesma construção e obtêm de cerca de 2000 watts de calor aproximadamente 110 watts elétricos.

Calor residual. Fornos industriais, motores e sistemas de escape liberam calor que de outro modo se perde.

Sensores pequenos. Onde um palmo de diferença de temperatura basta para alimentar um módulo de rádio, não é mais preciso bateria.

Distinção em relação à neutrinovoltaica

A termoeletricidade exige impreterivelmente um gradiente. Sem lado quente e lado frio não circula corrente — um componente que tem a mesma temperatura por toda parte não fornece nada, por mais quente que esteja. Isso não é uma insuficiência técnica, mas a segunda lei da termodinâmica.

A neutrinovoltaica menciona as flutuações térmicas como um entre vários canais de entrada, mas não aposta em um gradiente macroscópico, e sim em processos na própria rede. A ligação com a pesquisa encontra-se aqui nos trabalhos de Paul Thibado sobre a retificação de movimentos térmicos em grafeno autossustentado — o efeito catraca.

A termoeletricidade é, assim, a melhor prova de que a ideia de base se sustenta: a conversão direta sem peças móveis funciona, é conhecida há dois séculos e voa há meio século pelo sistema solar. A pergunta não é se se pode obter energia desse modo, mas a partir de qual fonte e em que magnitude.

Termos relacionados

• Colheita de energia — o campo em seu conjunto
• Efeito catraca — retificação do movimento térmico
• Betavoltaica — corrente a partir do decaimento beta
• Termofotovoltaica — o calor pelo desvio da luz

Fontes

• T. J. Seebeck: Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 1822/23.
• NASA: Radioisotope Power Systems — fichas técnicas do MMRTG e do RTG da Voyager.