Termofotovoltaica
A termofotovoltaica (TPV) toma um desvio que vale a pena: em vez de converter o calor diretamente em corrente, ela faz primeiro o calor brilhar e capta depois a luz com uma célula semicondutora.
O arranjo
Bastam duas partes. Um emissor é levado a alta temperatura e, ao fazê-lo, irradia — como todo corpo quente — ondas eletromagnéticas. Uma célula fotovoltaica situada em frente converte essa radiação em corrente.
Ao contrário do que ocorre em uma célula solar, o máximo da radiação não se situa no visível, mas no infravermelho próximo. A 2 000 kelvin ele fica em torno de 1,5 micrômetro.
Por que o desvio faz sentido
A termoeletricidade converte o calor diretamente em tensão, mas precisa para isso de um gradiente de temperatura e raramente passa de oito por cento de rendimento. A razão é um conflito de objetivos no material: é preciso algo que conduza bem a corrente e mal o calor, e na maioria das substâncias as duas condutividades andam de mãos dadas.
A termofotovoltaica não tem esse conflito. Seu limite não é a ciência dos materiais, mas a física da radiação — e esta se situa nitidamente mais acima.
Os dois artifícios decisivos
Banda proibida adaptada. A célula é ajustada ao espectro do emissor. Para a faixa do infravermelho são apropriados semicondutores como o arseneto de gálio, o arseneto de gálio e índio ou o arseneto-antimoneto de gálio e índio — e não o silício, cuja banda proibida de 1,12 elétron-volt é grande demais para esses comprimentos de onda.
Os arranjos modernos empilham duas células com bandas proibidas diferentes uma sobre a outra, de modo que cada uma aproveite a parte do espectro que lhe convém.
Recuperação. Os fótons cuja energia fica abaixo da banda proibida nada poderiam fazer e estariam perdidos. Em vez de desperdiçá-los, coloca-se atrás da célula um espelho que os devolve ao emissor. Ali eles contribuem para o aquecimento.
Esse artifício é a razão dos saltos dos últimos anos. Ele transforma uma perda em um ciclo: o que a célula não pode aproveitar não se perde, mas volta para o aquecimento.
O estado da técnica
Em 2022, um grupo de trabalho do MIT e do National Renewable Energy Laboratory relatou na Nature uma célula tandem com um rendimento de cerca de 40 por cento para temperaturas de emissor entre 1 900 e 2 400 graus Celsius.
É um número notável. Ele está acima do rendimento de uma turbina a vapor em uma usina comum — e isso em uma disposição sem uma única peça móvel, sem água, sem manutenção.
A aplicação em que se pensa
O emprego que vem à mente é o armazenamento de corrente em forma de calor.
A corrente eólica e solar excedente aquece um meio de armazenamento — por exemplo silício fundido ou blocos de grafite — a mais de 2 000 graus. Se a corrente for necessária mais tarde, as células TPV a devolvem.
O atrativo está nos custos. Um acumulador de calor é feito de materiais baratos e abundantes e quase não envelhece, ao passo que as baterias são caras e perdem capacidade. Ter-se-ia uma bateria sem química.
Distinção em relação à neutrinovoltaica
A diferença é o ponto de partida. A termofotovoltaica precisa de uma fonte quente, e esse calor tem de vir de algum lugar — de uma combustão, de luz solar concentrada, de um acumulador. Sem emissor quente não há radiação nem corrente.
A neutrinovoltaica atua onde nenhuma fonte desse gênero está disponível. Sua pretensão dirige-se a fluxos que estão presentes em toda parte e de maneira constante, e com isso a aplicações no escuro, no interior, sob a terra.
Para A fotovoltaica em comparação vale algo semelhante: ela precisa de luz vinda de fora; a termofotovoltaica produz sua luz ela mesma.
O que se pode aprender disso
A termofotovoltaica mostra duas coisas que valem também para outras abordagens.
Primeiro: o desvio aparente pode ser o caminho mais curto. Converter calor em corrente por meio da radiação é mais trabalhoso do que a via direta — e fornece cinco vezes mais.
Segundo: o progresso não veio de uma nova ideia de base, mas de um trabalho cuidadoso com os materiais, com a banda proibida e o espelho. É exatamente nisso que consiste também a tarefa que a neutrinovoltaica se propôs com suas pilhas de múltiplas camadas de grafeno e silício.
Termos relacionados
Fontes
- A. LaPotin et al.: Thermophotovoltaic efficiency of 40 %, Nature 604, 287–291 (2022).