Um grupo de pesquisadores da Universidade de Ciências e Tecnologia do Rei Abdullah (KAUST), na Arábia Saudita, acabou de descobrir uma forma de transformar a energia desperdiçada que chega à Terra em forma de radiação infravermelha e calor em eletricidade. A inovação é possível graças ao tunelamento quântico, um dos fenômenos mais estranhos da mecânica quântica.
A chave para a ideia é uma antena especialmente projetada para detectar o desperdício ou o calor infravermelho como ondas eletromagnéticas de alta freqüência, transformando esses sinais de onda em uma carga direta.
Há muita energia chegando todos os dias à Terra, e nós não usamos boa parte dela. A maioria desse desperdício vem na forma de luz solar que atinge o planeta e é absorvida pelas superfícies, oceanos e pela nossa atmosfera. Este aquecimento leva a um vazamento constante de radiação infravermelha, que estima-se que esteja na casa dos milhões de gigawatts a cada segundo.
O problema é que os comprimentos de onda infravermelhos são muito curtos. Para aproveitá-los, precisamos de antenas super pequenas. De acordo com a equipe internacional de pesquisadores responsável novo estudo, a solução está no tunelamento quântico. “Não há nenhum diodo comercial no mundo que possa operar em alta frequência. É por isso que nos voltamos para o tunelamento quântico”, diz o pesquisador principal, Atif Shamim, da Universidade de Ciências e Tecnologia do Rei Abdullah (KAUST), na Arábia Saudita.
O tunelamento quântico é um fenômeno bem estabelecido na física quântica, no qual uma partícula pode atravessar uma barreira mesmo sem ter energia suficiente para fazer isso. Um dos exemplos usados mais frequentemente é de uma bola que rola sobre uma colina: na física clássica, a bola precisa de uma certa quantidade de energia a impulsionando para subir a colina e chegar do outro lado.
Na física quântica, a bola pode atravessar a colina com menos energia, graças à incerteza de posicionamento, o coração de tudo que é quântico.
Antenas em nanoescala
Esse “atalho” permite que os elétrons sejam movidos através de uma pequena barreira, através de um dispositivo de tunelamento como um diodo metal-isolador-metal (MIM), transformando as ondas infravermelhas em corrente ao longo do caminho.
Os cientistas conseguiram criar uma nova nanoantena emparelhando um filme de isolamento fino entre dois braços metálicos ligeiramente sobrepostos feitos de ouro e titânio. O aparelho foi capaz de gerar os campos elétricos intensos necessários para o trabalho de tunelamento. “A parte mais desafiadora foi a sobreposição de nanoescala dos dois braços da antena, o que exigiu um alinhamento muito preciso”, diz Gaurav Jayaswal, também da KAUST. “No entanto, ao combinar truques inteligentes com as ferramentas avançadas na instalação de nanofabricação da KAUST, realizamos esse passo”.
Ao escolher metais com diferentes funções, o novo diodo conseguiu capturar as ondas infravermelhas com zero tensão aplicada, uma função passiva que liga o dispositivo somente quando necessário. Experimentos com exposição ao infravermelho revelaram que a energia foi colhida com sucesso apenas vinda da radiação, e não de efeitos térmicos.
Revolução na produção de energia
Em comparação com os painéis solares, que só captam uma parte da luz visível, ser capaz de aproveitar todo o excesso de radiação infravermelha representaria uma mudança revolucionária na produção de energia. Além disso, ao contrário das usinas de energia solar, esses colhedores de energia podem operar o tempo todo, seja qual for o clima.
Apesar disso, este é apenas mais um passo no caminho para desenvolver esta tecnologia – outros cientistas também estão trabalhando com outros ângulos da questão. Os pesquisadores dizem que muitos desafios técnicos ainda estão à frente – atualmente, a antena não é muito eficiente em termos de energia, por exemplo.
“Este é apenas o começo – uma prova de conceito”, diz Shamim. Eventualmente, porém, a técnica poderia fazer uma grande diferença. “Poderíamos ter milhões desses dispositivos conectados para aumentar a geração geral de eletricidade”, acrescenta.
A chave para a ideia é uma antena especialmente projetada para detectar o desperdício ou o calor infravermelho como ondas eletromagnéticas de alta freqüência, transformando esses sinais de onda em uma carga direta.
Há muita energia chegando todos os dias à Terra, e nós não usamos boa parte dela. A maioria desse desperdício vem na forma de luz solar que atinge o planeta e é absorvida pelas superfícies, oceanos e pela nossa atmosfera. Este aquecimento leva a um vazamento constante de radiação infravermelha, que estima-se que esteja na casa dos milhões de gigawatts a cada segundo.
O problema é que os comprimentos de onda infravermelhos são muito curtos. Para aproveitá-los, precisamos de antenas super pequenas. De acordo com a equipe internacional de pesquisadores responsável novo estudo, a solução está no tunelamento quântico. “Não há nenhum diodo comercial no mundo que possa operar em alta frequência. É por isso que nos voltamos para o tunelamento quântico”, diz o pesquisador principal, Atif Shamim, da Universidade de Ciências e Tecnologia do Rei Abdullah (KAUST), na Arábia Saudita.
O tunelamento quântico é um fenômeno bem estabelecido na física quântica, no qual uma partícula pode atravessar uma barreira mesmo sem ter energia suficiente para fazer isso. Um dos exemplos usados mais frequentemente é de uma bola que rola sobre uma colina: na física clássica, a bola precisa de uma certa quantidade de energia a impulsionando para subir a colina e chegar do outro lado.
Na física quântica, a bola pode atravessar a colina com menos energia, graças à incerteza de posicionamento, o coração de tudo que é quântico.
Antenas em nanoescala
Esse “atalho” permite que os elétrons sejam movidos através de uma pequena barreira, através de um dispositivo de tunelamento como um diodo metal-isolador-metal (MIM), transformando as ondas infravermelhas em corrente ao longo do caminho.
Os cientistas conseguiram criar uma nova nanoantena emparelhando um filme de isolamento fino entre dois braços metálicos ligeiramente sobrepostos feitos de ouro e titânio. O aparelho foi capaz de gerar os campos elétricos intensos necessários para o trabalho de tunelamento. “A parte mais desafiadora foi a sobreposição de nanoescala dos dois braços da antena, o que exigiu um alinhamento muito preciso”, diz Gaurav Jayaswal, também da KAUST. “No entanto, ao combinar truques inteligentes com as ferramentas avançadas na instalação de nanofabricação da KAUST, realizamos esse passo”.
Ao escolher metais com diferentes funções, o novo diodo conseguiu capturar as ondas infravermelhas com zero tensão aplicada, uma função passiva que liga o dispositivo somente quando necessário. Experimentos com exposição ao infravermelho revelaram que a energia foi colhida com sucesso apenas vinda da radiação, e não de efeitos térmicos.
Revolução na produção de energia
Em comparação com os painéis solares, que só captam uma parte da luz visível, ser capaz de aproveitar todo o excesso de radiação infravermelha representaria uma mudança revolucionária na produção de energia. Além disso, ao contrário das usinas de energia solar, esses colhedores de energia podem operar o tempo todo, seja qual for o clima.
Apesar disso, este é apenas mais um passo no caminho para desenvolver esta tecnologia – outros cientistas também estão trabalhando com outros ângulos da questão. Os pesquisadores dizem que muitos desafios técnicos ainda estão à frente – atualmente, a antena não é muito eficiente em termos de energia, por exemplo.
“Este é apenas o começo – uma prova de conceito”, diz Shamim. Eventualmente, porém, a técnica poderia fazer uma grande diferença. “Poderíamos ter milhões desses dispositivos conectados para aumentar a geração geral de eletricidade”, acrescenta.
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