Tecnologias termoelétricas podem ajudar a impulsionar um futuro sem emissões de carbono

POR CHUN-WAN TIMOTHY LO

Os termômetros são uma maravilha subestimada da engenhosidade humana, construída com base na compreensão de princípios físicos relativamente simples. Termômetros de mercúrio e álcool dependem do volume de líquidos que aumentam ou diminuem em reação às mudanças de temperatura. Em contraste, termômetros infravermelhos sem contato leem a radiação térmica emitida por qualquer objeto, desde frigideiras até o corpo humano.

Enquanto termômetros digitais, como os infravermelhos, são uma invenção relativamente recente, os outros existem há centenas de anos.

Há, no entanto, outro tipo de termômetro digital conhecido como termopar. Os termopares são comumente usados em aplicações industriais e aproveitam um fenômeno natural em que o encontro de duas temperaturas diferentes gera corrente elétrica. Esse princípio pode ser usado tanto para medir temperaturas quanto, de maneira mais empolgante, para realmente colher eletricidade útil a partir das mudanças de temperatura cotidianas. Eu faço parte de uma equipe que trabalha para tornar essa tecnologia uma realidade prática.

Termoelétrico

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que uma bússola magnética próxima era desviada por um circuito elétrico fechado feito de dois metais diferentes. Dois anos depois, os físicos Hans Christian Ørsted e Jean Baptiste Joseph relataram que a interação dos dois metais, uma vez conectados em um circuito, havia gerado uma corrente elétrica porque um estava mais quente que o outro.

Esse fenômeno físico foi posteriormente nomeado Efeito Seebeck.

Curiosamente, o físico italiano Alessandro Volta – homenageado no termo “volt” – observou e explicou o mesmo fenômeno em 1794 usando nervos de uma rã morta. Volta gerou uma corrente elétrica usando um fio de metal, dois copos de água (cada um em uma temperatura diferente) e os nervos da rã como uma ponte elétrica. Uma imagem macabra, mas que antecipou futuras descobertas científicas.

Empolgados com as possibilidades, os cientistas trabalharam para explorar as descobertas, criando e colhendo quantidades úteis de corrente elétrica simplesmente conectando dois materiais a diferentes temperaturas. Hoje chamamos isso de termoeletricidade, e ainda a utilizamos em contextos muito específicos.

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A Nasa aproveitou as vantagens da tecnologia termoelétrica para viagens de exploração espacial profunda, acoplando geradores termoelétricos a material radioativo como combustível.

Os lançamentos usando geradores termoelétricos de radioisótopos incluem o astromóvel Curiosity em Marte, em 2011, o Perseverance, em 2020, e o lançamento planejado do Dragonfly, em 2027, para a lua Titã de Saturno.

Essa tecnologia até mesmo invadiu o mundo da cultura popular, como resultado de seu papel central no romance de 2011 – e posterior filme com o mesmo nome – Perdido em Marte, escrito por Andy Weir.

Mais próximo de casa

Aqui na Terra, geradores termoelétricos têm sido usados em áreas remotas para gerar eletricidade. Por exemplo, um pequeno módulo termoelétrico, conectado a um fogão ou aquecedor portátil, pode carregar seu telefone enquanto você está acampando, às custas do combustível. Isso é apenas um pequeno exemplo; dispositivos termoelétricos poderiam fazer muito mais.

As sociedades humanas geram quantidades excessivas de calor por meio de inúmeros processos, desde o cozimento e atividades industriais até mesmo o uso de ar condicionado e refrigeração. Após esses processos serem concluídos, quase todo esse calor se dissipa sem capturar a eletricidade que poderia fornecer.

Por exemplo, apenas cerca de um terço da energia produzida em um carro a gasolina é utilizada, enquanto os outros dois terços são perdidos como calor. Esse calor perdido poderia ser capturado para alimentar dispositivos termoelétricos, o que melhoraria drasticamente a eficiência do combustível.

Poderíamos fazer o mesmo em fábricas e em muitos outros lugares onde o calor é um subproduto desperdiçado de outra função. E a construção desses sistemas nos ajudaria a alcançar nossa meta de neutralidade de carbono até 2050.

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Então, por que não estamos usando a termoeletricidade para reciclar o calor desperdiçado na Terra?

Simples: um dispositivo termoelétrico requer um material que conduza eletricidade bem e conduza calor mal. Sem essas características, a diferença de temperatura e o potencial gerativo entre os dois lados do dispositivo não serão mantidos.

O fio de cobre, por exemplo, conduz eletricidade muito bem, mas também é um excelente condutor de calor. Essas qualidades o tornam excelente para fios, mas também deixam o cobre como um candidato inadequado para essa aplicação.

Construindo os materiais

Os materiais ideais para a termoeletricidade não existem naturalmente. Como tal, a prioridade na área de pesquisa termoelétrica é criar materiais que sejam eficientes e baratos, para que possam ser produzidos em larga escala e amplamente aplicados – idealmente, a um custo mínimo de recursos.

Alguns candidatos conhecidos a materiais termoelétricos incluem o chumbo. No entanto, sua toxicidade e impactos ambientais o descartam como um candidato viável. Alternativas mais benignas precisam ser encontradas.

Atualmente, alguns materiais termoelétricos parecem ter o potencial de ajudar a mitigar a crise climática que enfrentamos.

Junto com meus colegas da Universidade McMaster, estou trabalhando com parceiros industriais para ajudar a desenvolver novos materiais mais baratos e confiáveis. É central para isso entender as mudanças no desempenho entre diferentes materiais. Esperamos desenvolver materiais que tenham um bom desempenho tanto no laboratório quanto em grande escala.

Com muita frequência, a eletricidade é discutida em termos de como podemos gerar mais. Precisamos de mais usinas, mais combustível, mais energia solar – mais de tudo. Sugerimos que isso é apenas metade do cenário. Também devemos aprender a utilizar de maneira inteligente todas as etapas do ciclo de vida da energia, não apenas para gerar, mas também para armazenar, e usar a tecnologia termoelétrica para capturar a eletricidade nesse calor desperdiçado.

Somente fazendo isso podemos realmente criar uma rede elétrica mais eficiente e contribuir para impulsionar um futuro livre de carbono.

Chun-wan Timothy Lo – Pesquisador de pós-doutorado McCall MacBain do Departamento de Química e Biologia Química na Universidade McMaster, Canadá.

Este texto foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original em inglês.

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