Redação do Site Inovação Tecnológica – 08/03/2010

Descoberto novo modo de produzir eletricidade
Um nanotubo de carbono pode produzir uma onda de energia quando uma camada de combustível queima-se ao seu redor, arrastando portadores de carga e gerando um pico de corrente elétrica.[Imagem: Christine Daniloff]

Ondas de energia

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, descobriu um fenômeno inédito que faz com que ondas de energia sejam criadas ao longo de nanotubos de carbono.

Segundo os pesquisadores, o fenômeno até agora desconhecido poderá levar a uma nova forma de produzir eletricidade.

O fenômeno, descrito como "ondas termoelétricas", "abre uma nova área de pesquisa na área de energia, o que é raro," afirmou Michael Strano, um dos autores do estudo que foi publicado neste domingo (7/3) na revista Nature Materials.

Da mesma foram que um monte de detritos é atirado pelas ondas em uma praia depois de terem viajado pelo oceano, a onda térmica – um pulso de calor em movimento – viajando ao longo do fio microscópico de carbono pode arrastar elétrons em seu caminho, criando uma corrente elétrica.

O ingrediente principal dessa nova receita de energia é o nanotubo de carbono, uma estrutura com dimensões na faixa dos bilionésimos de metro, na qual os átomos de carbono estão dispostos como se fossem uma tela de arame enrolada. Os nanotubos de carbono fazem parte de uma família muito promissora de novas materiais, que inclui ainda os buckyballs e o grafeno.

Princípio de funcionamento

No estudo, cada um dos nanotubos de carbono, que são bons condutores tanto de eletricidade quanto de calor, foram recobertos com uma camada de um combustível altamente reativo e que gera um forte calor à medida que se decompõe.

O combustível é então inflamado em um dos lados dos nanotubos, o que pode ser feito por um feixe de laser ou por uma faísca elétrica, resultando em uma onda térmica que se desloca velozmente ao longo do nanotubo de carbono.

O calor do combustível é transferido para o nanotubo, onde ele passa a se deslocar milhares de vezes mais rapidamente do que a própria queima do combustível. À medida que o calor, que caminha mais rápido do que a chama, realimenta a camada de combustível, cria-se uma onda térmica que caminha ao longo do nanotubo.

Com uma temperatura de mais de 2.700º C (3.000 K), o anel de calor se espalha ao longo do nanotubo a uma velocidade 10 mil vezes maior do que o espalhamento normal da reação química de queima do combustível. O calor produzido pela combustão também desloca elétrons pelo nanotubo, criando uma corrente elétrica significativa.

Descoberto novo modo de produzir eletricidade
Esquema de funcionamento do experimento, vendo ao centro o aglomerado de nanotubos de carbono revestidos com combustível (CNT+NA). [Imagem: Choi et al./Nature Materials]

Ondas de combustão

Ondas de combustão – neste caso o pulso de calor viajando através do fio de carbono – "têm sido estudadas matematicamente há mais de 100 anos," afirma Strano, mas esta é a primeira vez que se observa seu efeito em um nanotubo, verificando que a onda de calor pode movimentar elétrons em intensidade suficiente para produzir eletricidade em quantidade apreciável.

A intensidade do pico de tensão criado inicialmente ao longo dos nanotubos imediatamente surpreendeu os pesquisadores. Depois de refinarem as condições do experimento, o sistema gerou uma energia que, proporcionalmente ao seu peso, é cerca de 100 vezes maior do que um peso equivalente de uma bateria de íons de lítio, as mais avançadas atualmente disponíveis.

Arrastamento eletrônico

A quantidade de energia liberada é muito maior do que a prevista pelos cálculos termoelétricos. Embora muitos materiais semicondutores possam produzir um potencial elétrico quando aquecidos, por meio do chamado efeito Seebeck, este efeito é muito fraco no carbono. "Nós chamamos [o fenômeno] de arrastamento eletrônico, uma vez que parte da corrente parece estar em escala com a velocidade da onda," diz Strano.

A onda térmica parece capturar e arrastar os transportadores de carga elétrica – ou elétrons ou lacunas de elétrons – da mesma forma que uma onda do mar pode capturar um monte de detritos ao longo da superfície e arrastá-lo. E, no caso do experimento gerador de eletricidade, a intensidade de portadores de carga "capturados" parece depender da velocidade da onda.

A teoria prevê que alguns tipos de combustível – o material reagente usado para revestir o nanotubo – poderão produzir ondas que oscilam. Desta forma, seria possível gerar corrente alternada, a mesma que abastece as residências e que é a base das ondas de rádio usadas em todos os dispositivos sem fios, como telefones celulares, aparelhos de GPS e inúmeros outros. Hoje, embora necessitem de corrente alternada, esses dispositivos utilizam baterias que geram corrente contínua, que deve ser convertida antes do uso. Este é o próximo experimento que os cientistas planejam fazer.

Aplicações

Descoberto novo modo de produzir eletricidade
É cedo para falar em substituição das baterias ou outras aplicações, porque baterias que se inflamam terão sérios problemas de segurança e conforto. [Imagem: Choi et al./Nature Materials]

Os pesquisadores afirmam que, por ser muito recente, é difícil prever as aplicações possíveis da nova forma de geração de energia. Mas Strano se arrisca a falar na alimentação de minúsculos sensores ambientais, que poderiam ser espalhados pelo meio ambiente como se fossem poeira no ar, alimentados pela minúscula bateria de nanotubo de carbono.

Ou dispositivos médicos, nos quais o calor e a luz gerados poderiam ter interesse para o monitoramento de cápsulas do tamanho de grãos de arroz no interior do corpo humano, assim como para o aquecimento de determinadas áreas a serem tratadas.

De qualquer forma, é mesmo muito cedo para se falar em substituição de baterias. Ainda que eventuais baterias que funcionem sob o novo princípio possam armazenar sua energia indefinidamente, o sistema ainda é bastante ineficiente – a maior parte da energia é dissipada na forma de calor e luz – e pouco prático – baterias que se inflamam terão sérios problemas de segurança e conforto.

Um potencial de melhoria do sistema estaria na utilização de nanotubos distanciados uns dos outros, permitindo uma forma de controle da queima. Isso também aumentaria a eficiência do gerador, uma vez que os experimentos demonstraram que nanotubos individuais são mais eficientes na geração de energia do que nanotubos aglomerados em grandes amostras.

Bibliografia:

Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves
Wonjoon Choi, Seunghyun Hong, Joel T. Abrahamson, Jae-Hee Han, Changsik Song, Nitish Nair, Seunghyun Baik, Michael S. Strano
Nature Materials
7 March 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat2714