O verdadeiro potencial desta tecnologia está no Espaço
Cintilando sobre a água, impregnando a pele e a areia, o sol faz parte da identidade da Austrália. E, em Sydney, cientistas especializados em energia solar estão a tentar aproveitar o poder do sol para produzir eletricidade - mas não da forma que se poderia esperar.
“Estamos a trabalhar no desenvolvimento de dispositivos que geram eletricidade emitindo luz em vez de absorver luz”, diz Jamie Harrison, estudante de pós-graduação na Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW). “É como um painel solar invertido”, acrescenta.
Harrison faz parte de uma equipa de investigadores da Escola de Engenharia Fotovoltaica e de Energias Renováveis da universidade, que tem procurado novas formas de produzir energia a partir do sol - incluindo depois de o sol se pôr.
A energia que é absorvida pela Terra a partir do sol durante o dia é libertada à noite sob a forma de radiação infravermelha - um tipo de luz invisível ao olho humano, mas sentida como calor. Os investigadores da UNSW têm trabalhado num semicondutor chamado díodo termorradiativo, que consegue converter essa radiação infravermelha em eletricidade.
“Se olhássemos para a Terra à noite, o que veríamos com uma câmara infravermelha seria a Terra a brilhar”, diz o professor Ned Ekins-Daukes, que lidera a equipa na UNSW. “O que está a acontecer é que a Terra está a irradiar calor para o universo frio”, acrescenta.
Os cientistas da UNSW não foram os primeiros a desenvolver um díodo termorradiativo. No entanto, com base em trabalhos das universidades de Harvard e Stanford, nos EUA, a equipa foi a primeira a demonstrar diretamente a produção de energia elétrica a partir de um destes dispositivos, em 2022.
Até ao momento, o dispositivo só consegue gerar uma quantidade muito pequena de eletricidade - cerca de 100 mil vezes menos do que um painel solar convencional.
“É suficiente para alimentar um relógio digital Casio de pulso a partir do calor do corpo”, diz Ekins-Daukes, explicando que o que determina a quantidade de energia que o díodo pode gerar é a diferença de temperatura entre a fonte de calor e o ambiente envolvente.
Mesmo a operar com eficiência ótima, diz Ekins-Daukes, na Terra o díodo só conseguiria gerar eletricidade com uma densidade de potência de cerca de um watt por metro quadrado.
Isso acontece porque o vapor de água e gases como o dióxido de carbono na atmosfera também absorvem calor do sol, reduzindo a diferença de temperatura entre a superfície da Terra e o céu noturno.
Mas, na perspetiva de Ekins-Daukes, o verdadeiro potencial desta tecnologia está no Espaço, onde a ausência de atmosfera proporciona um ambiente envolvente muito mais frio para o funcionamento do díodo.
Ele espera que a tecnologia venha a ser utilizada para fornecer eletricidade a satélites. Estes são normalmente alimentados por painéis solares, mas Ekins-Daukes sublinha que isso tem limitações, sobretudo durante os períodos em que o satélite não está sob luz solar direta.
“Particularmente em órbitas mais baixas… temos 45 minutos de luz solar e depois 45 minutos de escuridão”, diz. “Obviamente, o painel solar só funciona quando o sol está a brilhar. Portanto, a oportunidade aqui é… usar outras superfícies da nave espacial, não para a alimentar totalmente, mas para fornecer alguma energia auxiliar”, explica.
O díodo geraria eletricidade a partir do calor absorvido pelo satélite enquanto este está exposto ao sol, à medida que esse calor é irradiado para o Espaço “incrivelmente frio” durante os períodos de escuridão, diz Ekins-Daukes.
Atualmente, durante os períodos de escuridão, os satélites são alimentados por uma bateria que é carregada durante os períodos de luz solar, mas Ekins-Daukes afirma que os díodos representam uma “oportunidade… de extrair um pouco mais de energia da superfície do satélite”.
“Há uma tendência na tecnologia espacial para criar satélites mais pequenos, que voam em órbitas mais baixas, mas mantêm a mesma função dos maiores”, diz. “É por essa razão que o díodo termorradiativo pode ser útil - é leve e gera energia a partir de superfícies não utilizadas.”
A equipa está a planear um voo de teste com balão ainda este ano, o que lhes permitirá experimentar a tecnologia no Espaço pela primeira vez.
Díodos para o Espaço profundo
Geoffrey Landis, cientista que trabalha em tecnologias termorradiativas no Centro de Investigação John Glenn da NASA, afirma que a tecnologia poderia funcionar para satélites em órbita baixa, mas só seria útil se pudesse ser produzida a “um custo muito, muito baixo”.
“As baterias são baratas”, diz. “Pode-se pensar em usar um díodo termorradiativo, mas provavelmente seria mais caro do que simplesmente usar baterias durante esses 45 minutos”, acrescenta.
Em vez disso, a investigação de Landis centra-se na utilização de díodos termorradiativos para satélites em missões de Espaço profundo para os planetas exteriores do sistema solar, ou para veículos exploradores em regiões permanentemente sombreadas da Lua.
Essas missões são atualmente alimentadas por geradores termoelétricos especiais que convertem calor - produzido pelo decaimento de um isótopo radioativo, como o plutónio - em eletricidade.
“Estes sistemas são pesados. Pesam cerca de 45 quilogramas, têm cerca de 200 litros de volume… São muito caros e são reservados para grandes missões emblemáticas, porque temos de produzir plutónio - é difícil de produzir, é caro e é um recurso raro”, diz Stephen Polly, que trabalha com Landis na NASA.
Segundo Polly, embora o plutónio continuasse a ser necessário para fornecer uma fonte de calor aos díodos termorradiativos no Espaço profundo, em comparação com os geradores termoelétricos convencionais, os díodos são muito mais simples e têm menos componentes móveis.
Muitos díodos mais pequenos seriam ligados entre si para criar um painel com um aspeto semelhante aos conjuntos de células solares atualmente utilizados para alimentar satélites, diz Polly.
“O próprio painel é o que está a libertar calor residual sob a forma de luz, pelo que podem ser muito mais pequenos, muito mais eficientes e fazer um melhor uso desse recurso de plutónio”, afirma.
Atualmente, os díodos termorradiativos são feitos dos mesmos materiais semicondutores usados em óculos de visão noturna, mas Landis diz que é necessário mais trabalho para avaliar a sua viabilidade quando expostos às altas temperaturas que os isótopos radioativos em decaimento produziriam.
Os sistemas termoelétricos atualmente utilizados no Espaço, que recorrem a estes isótopos como fonte de calor, operam a temperaturas em torno dos 540° ou 1.000° Celsius (1.004° e 1.832° Fahrenheit).
“Nunca ninguém pensou em operar este tipo de semicondutores a temperaturas mais elevadas, por isso não sabemos muito sobre a sua longevidade. E, para uma missão espacial, gostaríamos que estes semicondutores durassem 10 anos, 20 anos, talvez até mais”, acrescenta.
Landis e Polly estão a investigar novos materiais para a fabricação e teste de uma célula termorradiativa, que, segundo Polly, deverá permitir que o sistema funcione a temperaturas até 375° Celsius (707° Fahrenheit).
Diz que, “se os resultados da investigação continuarem a ser promissores”, então a utilização de um sistema termorradiativo aquecido por isótopos radioativos “é certamente possível nos próximos cinco a dez anos”.
Na UNSW, a equipa de Ekins-Daukes recebeu financiamento da Força Aérea dos Estados Unidos para aperfeiçoar o díodo, de modo a que possa funcionar de forma mais eficiente e gerar maiores quantidades de energia quando utilizado em satélites de baixa órbita terrestre, tendo como única fonte de calor a radiação solar.
A sua equipa também está a estudar a utilização de materiais diferentes, semelhantes aos usados na produção de células solares convencionais, o que, segundo Ekins-Daukes, lhes permitiria “beneficiar” dos processos de fabrico das células solares, possibilitando um aumento mais rápido da produção quando o díodo se tornar comercialmente disponível — algo que ele espera que possa acontecer dentro dos próximos cinco anos.
