quarta-feira, 7 de maio de 2014

Transformando calor em eletricidade dos metais e orgânicas - Segunda Parte.

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A revista Inovação Tecnológica - 22/06/2005 trouxe uma 

promissora pesquisa japonesa.

Cerâmica termoelétrica gera eletricidade a partir do calor


Cientistas do Instituto Nacional de Ciências e Tecnologias 

Industriais Avançadas do Japão, conseguiram construir um

 módulo capaz de converter calor em energia elétrica. O 

módulo de conversão termoelétrica é feito totalmente de 

material cerâmico. Os cientistas conseguiram eliminar 

totalmente a degradação normalmente associada a este

 tipo de material, causada pela oxidação.

Cerâmicas termoelétricas
Cientistas norte-americanos anunciaram recentemente a 
criação de um material termoelétrico, mas construído à 
base de nanofios (veja Materiais termoelétricos 
Embora já existam cerâmicas capazes de transformar calor
 em eletricidade, elas não chegaram 

 ainda ao mercado devido a um sério problema de 

 durabilidade: 
a oxidação faz com que elas deixem de funcionar muito 
rapidamente.
Já a nova cerâmica sintetizada pelos cientistas japoneses
 mantém seu desempenho mesmo sob operação em ar 
ambiente a 800° C. Além disso, ela não utiliza em sua 
composição materiais tóxicos ou metais raros, que 
poderiam inviabilizar sua utilização prática ou sua 
viabilidade econômica.
Módulos termoelétricos
Módulos termoelétricos construídos com a nova cerâmica
 poderão ser utilizados em incineradores, fornos 
industriais, motores de automóveis e em qualquer outra
 fonte que libere calor como resultado de sua operação
 normal. Ao invés de desperdiçar esse calor excedente, ele
 poderá então ser transformado em energia elétrica.
Além disso, módulos portáteis poderão ser muito úteis em
 áreas de desastres ambientais, onde a infraestrutura de
 energia normalmente é destruída e de difícil recuperação; 
mas fontes de calor são sempre fáceis de serem criadas
 rapidamente.
Os módulos geradores termoelétricos são inteiramente
 cerâmicos, não possuindo partes móveis e efetuando a 
conversão direta de calor em eletricidade.
Módulos em série
A cerâmica é feita de óxidos de tipos P e N, conectados
 alternadamente em série. Cada módulo é capaz de gerar
 100 mV. O maior desafio para os pesquisadores foi criar
conexões que permitissem a ligação de vários desses
 módulos para a geração de quantidades úteis de energia.
Por exemplo, para se fabricar um módulo de 4 Volts, ideal
 para o recarregamento de telefones celulares, é 
necessário a construção de 80 junções entre módulos.
 Qualquer problema em uma dessas junções pode reduzir
 a quantidade disponível de energia. A unidade mostrada
 na foto gera 10 W de potência quando operando com um
 lado quente a 800° C e um lado frio a 300 °C.

Outro ponto de pesquisa correlata:

Materiais termoelétricos transformam radiador do carro em gerador de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2005


Apesar de todos os avanços tecnológicos, os motores 
dos carros atuais conseguem retirar apenas 30% da
 energia contida na gasolina. Os restantes 70% são 
perdidos na forma de calor.

Gerando energia a partir do calor
Agora cientistas das universidades do Oregon, Estados 
Unidos, e do Conselho de Pesquisas da Austrália,
 trabalhando conjuntamente, descobriram não apenas 
como recuperar essa energia perdida pelos motores a 
combustão, mas também como retirar energia das fontes
 geotérmicas, uma forma de geração de energia limpa e 
renovável disponível em áreas vulcânicas.
Os cientistas criaram um novo tipo de material 
termoelétrico - ou material termogerador, capaz de
 converter calor em energia elétrica - utilizando nanofios. "
[...] dispositivos termoelétricos nanoestruturados poderão
 ser práticos para aplicações como a recuperação do calor
 perdido nos motores de automóveis, resfriadores 
construídos diretamente dentro dos chips e refrigeradores 
domésticos mais compactos e silenciosos," explica Heiner 
Linke, um dos pesquisadores.
Ele e seu colega Tammy Humphrey descobriram que dois
 objetos podem ter diferentes temperaturas e ainda assim
 manterem o equilíbrio mútuo em nanoescala. Esse é um
 fenômeno crucial para que se possa atingir 
o desempenho necessário para o uso prático dos materiais
 termoelétricos na geração de energia elétrica e na 
refrigeração.
Materiais termoelétricos
Imagine uma xícara de café sobre uma mesa: o café irá
 esfriar gradualmente porque as moléculas na xícara 
transferirão automaticamente o calor do café para a mesa,
 até atingir o equilíbrio térmico. Esse fenômeno é explicado
 pelas leis da termodinâmica: o calor irá sempre fluir do
 mais quente para o mais frio. O problema é que a energia
 gasta pelos elétrons para fazer essa transferência é
 simplesmente perdida.
Os materiais termoelétricos tentam recuperar essa energia
 convertendo-a em eletricidade. Mas eles não funcionam 
muito bem se o fluxo de calor for descontrolado. A 
descoberta feita por Humphrey e Linke envolve justamente
 o controle do movimento dos elétrons, utilizando materiais
 que são estruturados em nanoescala.
Eles demonstraram que, se uma tensão elétrica for 
aplicada a um sistema elétrico que tiver uma diferença de 
temperatura, é possível controlar elétrons que tenham 
uma energia específica. Isto significa que, se o material
 nanoestruturado for projetado para permitir apenas o fluxo
 desse tipo de elétron, atinge-se um novo tipo de 
equilíbrio, no qual os elétrons não migram 
espontaneamente do quente para o frio.
Como o sistema não ficará verdadeiramente em equilíbrio
, o fluxo de elétrons pode ser revertido, permitindo que um
 equipamento funcione na eficiência máxima possível. Para
 os motores de carro, essa eficiência máxima téoria é
 conhecida como limite de Carnot.
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia atual já
 possibilite que seus materiais nanoestruturados criem
 equipamentos que atinjam 50% do limite de Carnot. Os
 mais eficientes materiais termoelétricos conhecidos hoje
 atingem apenas 15% desse limite.
O trabalho foi apresentado neste último dia 5 de Abril, na
 Conferência de Dispositivos em Nanoescala e Integração
 de Sistemas, realizada em Houston, nos Estados Unidos.
Fontes:







J.A.


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domingo, 4 de maio de 2014

Transformando calor em eletricidade dos metais e orgânicas - Primeira Parte.

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A revista inovação tecnológica em 12/03/2007  publicou

  interessante artigo com o título ;

Gerador do futuro: moléculas orgânicas convertem calor em eletricidade


Quando se fala dos motores dos carros 

mais modernos, é comum o uso de adjetivos como 

"alta tecnologia", "super rendimento", "alta
potência" 

e uma série de outros ufanismos. Mas, quando 

vistos do ponto de vista da eficiência energética -

 sua capacidade de transformar um tipo de energia 

em outro - temos que concordar que eles estão bem

 mais próximos das antigas máquinas a vapor do que 

gostaríamos de admitir.
Cientistas conseguiram gerar eletricidade diretamente do calor, usando moléculas orgânicas, lançando as bases para o desenvolvimento de um novo tipo de conversor termoelétrico. [Imagem: Ben Utley/Berkeley]

Eficiência energética
Um motor a combustão tem uma eficiência 
energética de pouco mais do que 20%. Isso significa
 que quase 80% da energia contida no seu 
combustível será simplesmente perdida na forma de
 calor. E isso é verdade também para as caldeiras 
industriais e para as turbinas a gás de última 
geração que fazem funcionar as usinas
 termoelétricas.
Para piorar a situação, 90% de toda a energia 
utilizada no mundo - das usinas de geração de
 eletricidade até os motores de carros - é criada por
meio da conversão indireta do calor.
"Gerar 1 watt de energia requer cerca de 3 watts de
 calor e envolve o lançamento no meio ambiente do
 equivalente a 2 watts de energia na forma de calor,"
 explica o pesquisador Arun Majumdar, da 
Universidade da Califórnia, Estados Unidos.
Com todos esses dados, é facilmente perceptível que
 uma pequena alteração na eficiência da conversão 
de calor em energia poderá ter um impacto enorme 
não apenas no consumo de combustíveis,
 principalmente os fósseis, mas também na
 quantidade de calor lançada constantemente na 
atmosfera pelas atividades humanas.
Conversores termoelétricos
Tudo o que precisamos é de um conversor 
termoelétrico, um equipamento capaz de converter
 diretamente o calor em eletricidade, sem a 
necessidade de que um motor a combustão ou uma
 turbina queimem um combustível para gerar energia
 mecânica e, a seguir, fazer girar um gerador que é 
quem efetivamente gera a eletricidade. Parece 
simples, mas esse tem sido o cálice sagrado dos
engenheiros eletricistas nos últimos 50 anos.
Um conversor termoelétrico é um gerador de energia
 que funciona com base no chamado Efeito de
 Seebeck - um fenômeno no qual uma tensão

 elétrica 
é criada quando junções de dois metais diferentes
 são mantidos sob temperaturas diferentes. Mas os 
maiores esforços dos cientistas têm sido vãos, e 
esses conversores continuam sendo considerados os
 geradores do futuro - de um futuro ainda não visível

  no horizonte.
Já foram construídos diversos equipamentos desse 
tipo. Mas o melhor deles apresenta uma eficiência de 
meros 7 por cento. Sem contar que eles são feitos 
de ligas metálicas exóticas, normalmente utilizados 
pela indústria de semicondutores, mas 
metais mais utilizados nesses protótipos.

Geração orgânica de eletricidade
Agora, a equipe do Dr. Majumdar fez um progresso
 significativo na área da conversão direta de calor
 em eletricidade. Eles conseguiram gerar o efeito 
Seebeck utilizando moléculas orgânicas, lançando as
 bases para o desenvolvimento de um novo tipo de 
conversor termoelétrico cujo custo será diminuído 
em várias ordens de magnitude.
"O objetivo é fazer as coisas a partir de materiais
 que são mais abundantes e mais facilmente
processáveis," diz Rachel Segalman,
 outra participante da pesquisa. "[Materiais] 
orgânicos são baratos e podem ser processados
 facilmente."
Moléculas de Benzeno
O conversor orgânico de calor em eletricidade foi 
criado recobrindo-se dois eletrodos de ouro com 
moléculas de benzenoditiol, dibenzenoditiol e 
tribenzenoditiol. O calor foi aplicado a um dos 
eletrodos, de forma a criar um diferencial de 
temperatura. A ilustração acima mostra uma
 molécula de benzenoditiol presa entre as duas
 superfícies de ouro. Quando um dos lados é
 aquecido, gera-se uma corrente elétrica.
Para cada grau de diferencial de temperatura, os 
pesquisadores conseguiram gerar 8,7 microvolts de
 eletricidade com o benzenoditiol, 12,9 microvolts, 
com o dibenzenoditiol e 14,2 microvolts com o
 tribenzenoditiol. A diferença máxima de temperatura
 testada foi de 30º C.
"O efeito pode parecer muito pequeno agora, mas
 esta é uma prova de conceito significativa, o
 primeiro passo na termoeletricidade orgânica," 
comenta Pramod Reddy, outro pesquisador do 
grupo.
Geradores do futuro
Quando falam em prova de conceito, os 
pesquisadores se referem ao fato de que eles 
conseguiram provar que sua teoria funciona. Agora 
eles terão que trabalhar duro no sentido de otimizar
 as reações e testar outros materiais orgânicos.
Ainda não é possível dizer se estamos diante dos
 geradores de eletricidade do futuro. Vários anos de
 pesquisas ainda serão necessários para se 
aperfeiçoar a tecnologia e descobrir as moléculas 
orgânicas que produzem os melhores resultados.
Mas o que é mais promissor é o fato de que, ainda 
que esses conversores termoelétricos orgânicos não
 se tornem um primor de eficiência, eles estarão
 trabalhando na recuperação de uma parte de calor
 que hoje é totalmente desperdiçada e lançada na
 atmosfera.
Bibliografia:

Thermoelectricity in Molecular Junctions
Pramod Reddy, Sung-Yeon Jang, Rachel Segalman, Arun Majumdar
Science Express
February 15, 2007
DOI: 10.1126/science.1137149
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115070312#.U2arEYFdXSk

Um ano depois o G1 (12/08/08 ) publicou um artigo com esta tecnologia em aplicação automotiva.

Sistema transforma calor em eletricidade e economiza combustível dos carros

Uso de materiais termoelétricos visa economia de até 10% de gasolina.
Calor do escapamento poderá alimentar rádio DVD/Player e GPS, entre outros.

Pesquisadores trabalham exaustivamente nos Estados Unidos para cumprir uma exigência do Departamento de Energia daquele país: aumentar em 10% a economia de combustível dos automóveis. Para isso, querem aproveitar o calor do escapamento e transformá-lo em energia elétrica. 

A General Motors está próxima de viabilizar o projeto, assim como a BMW, que desenvolve seus experimentos em conjunto com a universidade de Ohio. O princípio de ambas as pesquisas é o mesmo, utilizar a termoelétrica – ciência que utiliza as diferenças de temperatura para criar eletricidade – para criar carros mais econômicos e, conseqüentemente, menos poluentes. 
Material termoelétrico, que envolve parte do escapamento do GM Suburban, transforma calor em eletricidade (Foto: AP)

O pesquisador da GM, Jihui Yang, afirma que um cinturão de metal especial envolvendo parte do cano de escapamento pode economizar até 5% de combustível no SUV Chevrolet Suburban, mas também poderá ser usado em modelos compactos. 

Para se ter uma idéia, se os experimentos atingirem o objetivo de economizar 10% de combustível, cerca de 378 milhões de litros de gasolina deixarão de ser queimados a cada ano somente nos carros da GM que circulam pelos Estados Unidos. "É um assunto importantíssimo", diz Yang. 

E a tecnologia não é revolucionária, pois é conhecida há varias décadas. Porém, 12 anos atrás, pesquisadores começaram a dar mais ênfase no uso de termoelétricos em veículos ao desenvolverem gerador para caminhão, que foi testado por quase 900 mil quilômetros com sucesso. 

John Fairbanks, do departamento de tecnologia termoelétrica norte-americana, disse que o sucesso daquele experimento alavancou as pesquisas para um gerador termoelétrico que deverá substituir o alternador dos automóveis. 

"Daqui a três anos poderemos ter carros saindo da linha de produção com geradores termoelétricos no lugar dos alternadores", disse Fairbanks. "É a tecnologia mais viável para viabilizar a economia de combustível em curto prazo." 

É uma tecnologia similar à utilizada pela NASA para produzir energia elétrica suplementar nos ônibus espaciais desde os anos 60. Sistemas termoelétricos funcionam de duas formas diferentes: usando eletricidade para fornecer calor e frio ou usando diferenças de temperatura para gerar eletricidade. 

Em um motor a combustão, apenas 1/4 de toda a energia gerada é transformada em potência efetiva para as rodas, enquanto 40% é perdida pelo calor gerado os outros 30 gastos no sistema de refrigeração do motor. Isso significa que aproximadamente 70% da energia disponível é desperdiçada, segundo a GM. 

"Se você usar parte desse calor e convertê-la em eletricidade, pode aumentar a eficiência geral do sistema", afirma Yang.
O SUV Suburban deve ser o primeiro modelo da GM a utilizar a tecnologia termoelétrica (Foto: divulgação)

O SUV Suburban produz 15 quilowatts de energia de calor durante o uso urbano, o que é suficiente para fazer funcionar de três a quatro aparelhos de ar-condicionado simultaneamente.

Porém, é impossível aproveitar todo calor produzido pelos veículos. "Sendo assim, quando o Suburban viaja a 100 km/h, o gerador termoelétrico produz cerca de 800 watts de energia", diz Yang. "Essa eletricidade pode alimentar acessórios como o sistema de GPS, o rádio DVD/Player e até a bomba de água do sistema de refrigeração do motor."

O gerador termoelétrico funciona quando um dos lados do metal é aquecido. O calor faz com que os elétrons se movam para o lado mais frio. Esse movimento cria a corrente elétrica, a qual é coletada por eletrodos e convertida em eletricidade.

Ainda não há previsão de quanto o sistema irá encarecer o preço dos automóveis. "Mas a questão principal das pesquisas é justamente viabilizar o equipamento para o consumidor final", explica Yang.

"Ainda há muitos degraus para deixar o sistema viável, mas estamos otimistas que esses degraus possam ser superados com sucesso", disse Lon Bell, presidente da BSST, subsidiária fornecedora de materiais termoelétricos Amerigon Inc. A empresa, inclusive, trabalha para desenvolver um revolucionário sistema de ar-condicionado para a Ford.

A montadora norte-americana quer um sistema que resfrie rapidamente o interior do veículo no verão. "Nós acreditamos que podemos oferecer mais conforto para nossos clientes e isso sem sobrecarregar a central do sistema de ar-condicionado", diz Clay Maranville, cientista pesquisador da Ford.

A Honda divulgou que auxilia universidades nas pesquisas de termoelétricos, mas não tem um programa exclusivo de desenvolvimento sobre o assunto. 

Fontes:

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115070312#.U2arEYFdXSk

http://g1.globo.com/Noticias/Carros/0,,MUL719870-9658,00-SISTEMA+TRANSFORMA+CALOR+EM+ELETRICIDADE+E+ECONOMIZA+COMBUSTIVEL+DOS+CARROS.html


J.A.



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