Brilhando na água, impregnando pele e areia, o Sol faz parte da identidade da Austrália. E em Sydney, os cientistas estão tentando aproveitar o poder solar para produzir eletricidade.
“Estamos trabalhando no desenvolvimento de dispositivos que geram eletricidade emitindo luz em vez de absorvendo”, diz Jamie Harrison, estudante de pós-graduação na Universidade de New South Wales (UNSW). “É como um painel solar reverso”, ele acrescenta.
Hanson faz parte de uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia de Energia Fotovoltaica e Renovável da universidade, que têm buscado novas formas de produzir energia a partir da energia solar — inclusive depois do pôr do sol.
A energia que foi absorvida pela Terra do sol durante o dia é liberada à noite como radiação infravermelha — um tipo de luz invisível ao olho humano, mas sentida como calor. Os pesquisadores da UNSW têm trabalhado em um semicondutor chamado diodo termorradiativo, que pode converter essa radiação infravermelha em eletricidade.
“Se você olhasse para a Terra à noite, o que veria com uma câmera infravermelha seria a Terra brilhando”, diz o Professor Ned Ekins-Daukes, que lidera a equipe da UNSW. “O que está acontecendo é que a Terra está irradiando calor para o universo frio”, ele acrescenta.
Cientistas da UNSW não foram os primeiros a desenvolver um diodo termorradiativo. Mas, baseando-se no trabalho das universidades de Harvard e Stanford nos EUA, a equipe foi a primeira a demonstrar diretamente a energia elétrica de um desses dispositivos, em 2022.
Até agora, o dispositivo consegue gerar apenas uma quantidade muito pequena de eletricidade — cerca de 100.000 vezes menos do que um painel solar convencional.
“É suficiente para alimentar um relógio de pulso digital Casio a partir do calor do seu corpo”, diz Ekins-Daukes, explicando que o que determina a quantidade de energia que o diodo pode gerar é a diferença de temperatura entre a fonte de calor e o ambiente ao redor.
Mesmo operando com eficiência ideal, Ekins-Daukes afirma que, na Terra, o diodo poderia gerar eletricidade com uma densidade de potência de apenas um watt por metro quadrado.
Isso porque o vapor d’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, como Ekins-Daukes vê, o verdadeiro potencial dessa tecnologia está no espaço, onde a ausência de atmosfera proporciona um ambiente muito mais fresco para o diodo operar.
Ele espera que a tecnologia seja usada para fornecer eletricidade aos satélites. Esses sistemas normalmente são alimentados por painéis solares, mas Ekins-Daukes destaca que isso tem limitações, principalmente durante períodos em que o satélite não está sob luz solar direta.
“Particularmente em órbita mais baixa … Você tem 45 minutos de luz solar e depois 45 minutos de escuridão”, ele diz. “Obviamente, seu painel solar só funciona quando o sol está brilhando. Então, a oportunidade aqui é… (para) usar outras superfícies da espaçonave, não para alimentá-la totalmente, mas fornecer alguma energia auxiliar”, ele explica.
O diodo geraria eletricidade a partir do calor absorvido pelo satélite enquanto estiver à vista do Sol, pois irradia para o espaço “incrivelmente frio” durante períodos de escuridão, diz Ekins-Daukes.
Atualmente, durante a noite, os satélites são alimentados por uma bateria carregada durante períodos de luz solar, mas Ekins-Daukes diz que os diodos apresentam uma “oportunidade … para extrair um pouco mais de energia da superfície do satélite.”
“Há uma tendência na tecnologia espacial de criar satélites menores que voam em órbitas mais baixas, mas que mantêm a mesma função dos maiores”, diz ele. “É por essa razão que o diodo termorradiante pode ser útil — ele é leve e gera energia a partir de superfícies não utilizadas.”
A equipe está planejando um voo de teste com balão este ano que permitirá testar a tecnologia no espaço pela primeira vez.
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O Dr. Geoffrey Landis, cientista que trabalha com tecnologias termorradiativas no Centro de Pesquisa John Glenn da Nasa, diz que a tecnologia poderia funcionar para satélites em órbita baixa, mas só seria útil se pudesse ser feita a “um custo muito, muito baixo.”
“Baterias são baratas”, ele diz. “Você poderia pensar em usar um diodo termorradiativo, mas provavelmente seria mais caro do que usar apenas baterias durante os 45 minutos”, ele acrescenta.
Em vez disso, a pesquisa de Landis foca no uso de diodos termorradiativos para satélites em missões espaciais profundas aos planetas externos do sistema solar, ou em rovers de terra em regiões permanentemente sombreadas da lua.
Essas missões são atualmente alimentadas por geradores termoelétricos especiais que convertem calor — produzido pela decomposição de um isótopo radioativo, como plutônio — em eletricidade.
“Essas coisas são pesadas. Eles pesam cerca de 45 quilos, têm cerca de 200 litros de volume… Eles são muito caros, e são guardados para grandes missões principais porque precisamos produzir plutônio – é difícil de produzir, caro de produzir e é um recurso raro”, diz o Dr. Stephen Polly, que trabalha com Landis na Nasa.
Ele diz que, embora o plutônio ainda seja necessário para fornecer uma fonte de calor para diodos termorradiativos no espaço profundo, comparados aos geradores termoelétricos convencionais os diodos são muito mais simples e têm menos partes móveis.
Muitos diodos menores seriam conectados entre si para criar um painel que se assemelha aos conjuntos de células solares atualmente usados para alimentar satélites, diz Polly.
“O próprio painel é o que libera calor residual como luz, então podem ser muito menores, muito mais eficientes e um melhor uso desse recurso de plutônio”, ele diz.
Os diodos termorradiativos são atualmente feitos dos mesmos materiais semicondutores usados nos óculos de visão noturna, mas Landis afirma que mais trabalho é necessário para avaliar sua viabilidade quando expostos às altas temperaturas que isótopos radioativos em decomposição produziriam.
Sistemas termoelétricos atuais no espaço que utilizam esses isótopos como fontes de calor operam em temperaturas de cerca de 540° ou 1.000° Celsius (1.004° e 1.832° Fahrenheit).
“Ninguém jamais pensou em operar esse tipo de semicondutor em temperaturas mais altas, então não sabemos muito sobre a durabilidade disso. E, para uma missão espacial, queremos que esses semicondutores durem 10 anos, 20 anos, talvez até mais”, acrescenta.
Landis e Polly estão investigando novos materiais para a fabricação e teste de uma célula termorradiativa, que, segundo Polly, deve permitir que o sistema opere em temperaturas de até 375° Celsius (707° Fahrenheit).
Ele diz que “se os resultados das pesquisas continuarem promissores”, então o uso de um sistema termorradiativo aquecido por isótopos radioativos “certamente é possível nos próximos cinco a dez anos.”
Na UNSW, a equipe de Ekins-Daukes recebeu financiamento da Força Aérea dos Estados Unidos para aperfeiçoar o diodo, de modo que ele possa operar de forma mais eficiente e gerar maiores quantidades de energia quando usado em satélites de baixa altitude terrestre, com a radiação do sol como única fonte de calor.
Sua equipe também está considerando usar materiais diferentes, semelhantes aos usados para fabricar células solares convencionais, o que, segundo Ekins-Daukes, permitiria que eles “aproveitassem” os processos de fabricação das células solares, possibilitando que a produção seja ampliada mais rapidamente quando o diodo estiver disponível comercialmente — o que ele espera que possa acontecer nos próximos cinco anos.