Criado hidrogênio metálico

Cientistas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, criaram uma amostra de metal de hidrogênio.

© R. Dias/I. F. Silvera (hidrogênio metálico)

Na imagem acima o hidrogênio aparece transparente (à esquerda), opaco (no centro) e reflexivo (à direita). Esta refletividade indica que o hidrogênio foi transformado em um metal, afirmam os pesquisadores.

O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica, com um próton e um elétron. Em condições normais esses átomos tendem a se organizar aos pares em um gás, que a baixas temperaturas se condensa em líquido e, em temperaturas ainda mais baixas, em sólido.

É a primeira vez que o hidrogênio metálico, previsto em teoria pela primeira vez há cerca de 80 anos, foi desenvolvido em laboratório. O hidrogênio sólido pode existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

A primeira menção a ele foi feita em 1935 pelos cientistas Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington, que sugeriram que, em uma pressão de 25 gigapascals (GPa), o hidrogênio sólido se transformaria em metal. Acredita-se  que a pressão do núcleo da Terra esteja entre 330 e 360 GPa.

Na época ainda não havia conhecimento suficiente do mundo quântico para criar estas condições. A produção de hidrogênio metálico tem sido um grande desafio para a física da matéria condensada.

Os pesquisadores Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias usaram dois tipos de diamantes sintéticos para encontrar o hidrogênio sólido. Eles poliram as superfícies dos diamantes até que elas não tivessem mais defeitos, os esquentaram para retirar resíduos internos e os cobriram com uma camada de óxido de alumínio, um composto que o hidrogênio não consegue filtrar.

Em seguida, o trio de Harvard foi comprimindo o hidrogênio sólido. No início do experimento, quando a pressão estava mais baixa, o elemento ficou transparente, conforme a pressão foi aumentando, ele ficou opaco e preto. Quando uma pressão de 495 GPa foi atingida, o hidrogênio ficou brilhante, completando sua transformação em metal, ainda não se sabe se foi em um estado sólido ou líquido. O físico Alexander Goncharov, do Carnegie Institution for Science, afirmou que o material brilhante pode ser, na verdade, o óxido de alumínio usado para recobrir as pontas dos diamantes, que poderia ter sido modificado pela alta pressão.

Na pressão de 495 GPa, o hidrogênio metálico possui uma refletividade tão elevada como 0,91. Os pesquisadores ajustaram a refletância usando um modelo de elétron livre de Drude para determinar a frequência de plasma de 32,5 ± 2,1 eV numa temperatura de 5,5 kelvin, com uma densidade de portadores de elétrons correspondente de 7,7 ± 1,1 × 10²³ partículas/cm³, consistente com as estimativas teóricas de densidade atômica.

Ainda há muito o que ser pesquisado, mas se o metal de hidrogênio tiver pelo menos metade das aplicações previstas em teoria, ele poderia revolucionar a tecnologia como a conhecemos hoje. O material por ser um supercondutor poderia trazer inovações em eletricidade, como a possibilidade de trens de alta velocidade funcionarem por levitação magnética.

O material poderia ser utilizado como propulsor, o que mudaria as viagens espaciais. "É necessário uma quantidade tremenda de energia para criar o metal de hidrogênio," explicou Isaac Silvera. "E se você o converter de volta para o hidrogênio molecular, toda a energia é liberada, o que poderia se transformar no tipo de propulsor mais potente já conhecido pelo homem."

Em termos de comparação, os propulsores utilizados hoje levam 450 segundos para serem acionados em um foguete; o propulsor de hidrogênio levaria 1,7 segundos para fazer a mesma coisa. Com isso, seria possível colocar foguetes em órbita em apenas um estágio em vez de dois. "Ele teria ainda cargas úteis maiores, o que seria muito importante," ressaltou Silvera.

Fonte: Science

A evolução da fusão nuclear

Cientistas do Hefei Institutes of Physical Science da Chinese Academy of Sciences (CASHIPS), na China, conseguiram alcançar temperaturas três vezes maiores que a do nosso Sol ao realizar uma fusão nuclear.

© CASHIPS (interior do Tokamak chinês)

O experimento durou 102 segundos e tornando a fusão nuclear artificial mais longa que já existiu no planeta. O feito representou um grande avanço na corrida para tornar realidade um dos maiores desafios científicos do século XXI: conseguir criar uma fonte de energia viável a partir da fusão nuclear, imitando o processo que acontece no Sol.

Utilizando o reator de fusão termonuclear Tokamak Superconductor Experimental Advanced (EAST), os pesquisadores elevaram a temperatura do hidrogênio para aproximadamente 50 milhões de graus Celsius (a temperatura do núcleo do Sol é cerca de 15 milhões de graus Celsius), transformando o gás hidrogênio em plasma.

O maior obstáculo da fusão para ser viável como fonte de energia é o confinamento do plasma durante tempo suficientemente longo. Esta foi a grande façanha dos chineses, que chegaram mais longe do que ninguém nesse aspecto.

"O processo foi conseguido através do aquecimento com plasma confinado por uma supercondução magnética," disse Li Ge, pesquisador do Hefei Institutes of Physical Science.

Conseguir uma fusão nuclear estável e controlada é uma das grandes ambições da comunidade científica internacional, uma vez que tem potencial como fonte de energia limpa e é um recurso quase inesgotável.

A novidade do experimento chinês, não está nessa alta temperatura alcançada, mas no tempo que conseguiram mantê-la; em dezembro de 2015, uma equipe do Instituto Max Planck, na Alemanha, conseguiu atingir 80 milhões de graus Celsius em um teste similar. No entanto, enquanto os cientistas alemães, e antes deles outros europeus, japoneses e americanos, consideraram um sucesso chegar a estas temperaturas em uma fração de segundo, os chineses mantiveram o processo durante um minuto e 42 segundos.

Controlar esta operação por tanto tempo demonstra uma evolução técnica que aproxima os pesquisadores da chegada de reatores nucleares de fusão capazes de imitar o processo que acontece no Sol de forma natural, gerando energia.

A fusão é uma reação química que consiste na união de dois átomos para formar um maior, liberando uma enorme quantidade de energia no processo, o mesmo utilizado, por exemplo, na bomba de hidrogênio. A energia obtida neste tipo de processo é mais potente que a realizada nas usinas nucleares, que efetuam fissão de átomos gerando átomos menores.

Para explorar a viabilidade da fusão de hidrogênio para a geração de energia uma aliança formada pelos Estados Unidos, União Europeia, China, Rússia, Japão, Índia e Coreia do Sul desenvolveram o projeto ITER (Reator Internacional Termonuclear Experimental), que está sendo construído no sul da França. O EAST chinês é uma espécie de versão em pequena escala do ITER, e os dados de seu último experimento serão disponibilizados aos parceiros internacionais que participam desse projeto, segundo anunciou a Academia de Ciências da China.

O próximo objetivo dos pesquisadores chineses é chegar aos 100 milhões de graus e preservá-los durante 1.000 segundos, mas o reator termonuclear terá que ser atualizado.

Fonte: Hefei Institutes of Physical Science

Polarons viajando em material fotoativo

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) têm revelado um importante passo na conversão de luz em energia armazenável.

© Patrick Rinke/Aalto University (migração de polarons em ZnO)

Cientistas do Instituto Fritz Haber, em Berlim (Alemanha) e da Universidade Aalto em Helsinque (Finlândia) estudaram a formação dos chamados polarons em óxido de zinco (ZnO).

As pseudopartículas viajam através do material fotoativo até que elas são convertidas em energia elétrica ou química numa interface.

Processos de conversão da luz em energia armazenável podem contribuir de forma decisiva para um fornecimento de energia sustentável. Há bilhões de anos, a natureza vem utilizando esses processos para a fotossíntese para formar carbohidratos com a ajuda da luz. Na pesquisa, a fotocatálise que utilza a luz para acelerar processos químicos está ganhando importância. Nos últimos anos, os pesquisadores também realizaram progressos consideráveis ​​em células fotovoltaicas convertem a luz solar incidente diretamente em energia elétrica, com eficiência constantemente melhorada.
No entanto, os processos de energia fotovoltaica subjacentes dificilmente têm sido estudadas em detalhe até aqui. "A conversão de fótons, ou seja, partículas de luz, em energia elétrica tem várias etapas," explica o professor Christof Wöll, chefe do Instituto de Interfaces Funcionais (IFG) do KIT. Primeiro, a luz é absorvida num material fotoativo, onde elétrons individuais são removidos de suas posições na rede atômica e deixando lacunas. Os pares elétron-lacuna são estáveis ​​apenas durante um curto prazo de tempo. Em seguida, eles decaiem sob a emissão de luz ou são separados se movendo no material de forma independente um do outro. O destino desta partícula carregada então depende do material.
Na maioria dos materiais, as lacunas livres não são estáveis, convertendo-se em um polaron, o que pode envolver perda de energia. Um polaron é uma pseudopartícula descrita é composta por uma carga positiva e a sua interação com o seu ambiente. Pesquisadores do KIT sob a direção do Professor Christof Wöll já realizadas experiências usando material de óxido de zinco fotoactivo, a fim de estudar a formação ea migração de polarons. Os pesquisadores do KIT empregaram uma configuração experimental única a nível mundial para a espectroscopia de absorção de reflexão de infravermelha (IRRAS) com uma resolução temporal de 100 milissegundos e o infravermelho medido em monocristais de óxido de zinco, onde observaram bandas de absorção intensivos, ou seja, impressões digitais, de uma pseudopartícula até agora desconhecida. A interpretação dos dados e identificação desta nova pseudopartícula foram grandes desafios para os pesquisadores. Em cooperação com um grupo de trabalho no Instituto Fritz Haber e do Centro de Excelência para Nanociência Computacional (COMP), da Universidade de Aalto, no entanto, eles conseguiram de forma inequívoca atribuição das bandas de absorção denominadas de lacunas de  polarons. "Esta é uma importante descoberta feita em 2015, o Ano Internacional da Luz e tecnologias baseadas na Luz", diz o professor Wöll.

Esta descoberta relevante para a energia fotovoltaica foi publicada na revista Nature Communications.

Fonte: Karlsruhe Institute of Technology

Máquinas de spins

Uma equipe coordenada pelo físico Roberto Serra, da Universidade Federal do ABC (UFABC), determinou quanta energia um núcleo atômico pode ganhar ou perder quando é atingido por um pulso de ondas de rádio.

© Cornell University/LASSP (spins)

A maioria dos pesquisadores estava convencida de que o comportamento do núcleo seria imprevisível. Jamais se conheceriam as probabilidades de o núcleo absorver energia das ondas, tornando-se mais quente, ou de esfriar ao transmitir parte de sua energia para elas.

As novas experiências feitas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, demonstram que essa troca de energia obedece a leis da física nunca antes testadas no mundo subatômico. Essas leis podem ajudar a entender melhor reações químicas como a fotossíntese das plantas e a determinar quanta energia os computadores quânticos usarão para funcionar. “Esse é o primeiro experimento de uma nova área da física, a termodinâmica quântica”, diz Serra.

Computadores quânticos prometem usar as leis da mecânica quântica para superar exponencialmente o poder de cálculo dos computadores convencionais. Mas quanta energia esse novo tipo de computação gastará na prática? Quanto calor essas máquinas produzirão ao funcionar? Vão precisar de refrigeração? Responder a essas questões é um dos objetivos da termodinâmica quântica.

Perguntas semelhantes pairavam no ar durante a Revolução Industrial, no século XIX. Qual o mínimo de carvão que os fornos precisariam consumir e a que temperatura as caldeiras deveriam chegar para que as máquinas a vapor alcançassem sua eficiência máxima? Os cientistas da época perceberam que tanto o calor quanto a capacidade das máquinas de trabalharem são formas diferentes de uma mesma quantidade física, a energia, que nunca é criada a partir do nada nem destruída, apenas transformada. Ao investigar a conversão de uma forma de energia em outra, eles descobriram as leis da termodinâmica clássica.

De acordo com essas leis, a energia flui espontaneamente de um volume com temperatura quente para outro mais frio. E uma máquina, mesmo que ideal, só pode converter parte da energia disponível na forma de calor em energia capaz de realizar movimentos mecânicos, isto é, realizar o que se conhece em física como trabalho. “A termodinâmica impõe limites a qualquer tecnologia”, diz Serra.

Os engenheiros vitorianos resolveram seus problemas, mas à custa de um pequeno truque. Seus cálculos só funcionavam quando se considerava que as máquinas estavam isoladas termicamente do resto do mundo, trocando pouco calor com o ambiente. Era preciso ainda que esses processos fossem lentos. Mas essas aproximações não servem na maioria das situações que ocorrem na natureza, em muitas reações químicas, por exemplo. Quando é impossível isolar termicamente um objeto de seu ambiente por muito tempo, a temperatura aumenta e diminui de maneira aparentemente imprevisível, ao contrário do que ocorre nos sistemas isolados, onde tudo tende ao equilíbrio.

Foi apenas em 1997 que o físico-químico Christopher Jarzynski descobriu uma expressão matemática capaz de calcular as variações de energia e de trabalho mecânico que acontecem fora do equilíbrio. “A equação de Jarzynski e outros teoremas de flutuação permitem que os químicos meçam em laboratório a variação de energia de uma molécula antes e depois de uma reação”, explica Serra.

O próprio Jarzynski, em colaboração com uma equipe da Califórnia, confirmou sua equação em 2005, observando o trabalho mecânico de uma molécula de RNA esticada e comprimida como uma mola. Serra nota entretanto que, apesar de microscópico, o movimento da molécula de RNA era grande o suficiente para poder ser calculado usando a famosa fórmula derivada das leis da mecânica de Newton: “Trabalho é igual força vezes deslocamento”.

As equações da termodinâmica, seja dentro ou fora do equilíbrio, foram deduzidas usando a mecânica de Newton. Mas as leis de Newton perdem sentido para vários processos que acontecem nas moléculas e para todos os que ocorrem no interior dos átomos por não ser possível medir forças e deslocamentos com precisão. Nessas escalas valem outras leis, as da mecânica quântica. Serra queria saber se equações como a de Jarzinsky ainda valeriam nesse mundo subatômico. Esse conhecimento ajudaria a entender reações químicas como a fotossíntese. Na fotossíntese, moléculas nas células das folhas funcionam como máquinas quânticas que absorvem energia das partículas de luz e a armazenam na forma de moléculas de açúcar. “O processo é muito eficiente, quase não gera calor”, diz Serra. “Estudos sugerem que é um processo quântico.”

Serra, seus alunos e colegas na UFABC tentavam havia algum tempo estudar a termodinâmica quântica em laboratório, junto com a equipe dos físicos Alexandre Souza, Ruben Auccauise, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, que trabalham com a técnica de ressonância magnética nuclear no CBPF. Os dois grupos mantêm uma parceria que já rendeu várias descobertas.

No centro do equipamento no laboratório do CBPF fica um pequeno tubo de ensaio contendo uma solução puríssima de clorofórmio diluído em água. Cada uma dos cerca de 1 trilhão de moléculas de clorofórmio da solução possui um átomo de carbono-13. O núcleo desse tipo de carbono tem uma propriedade quântica chamada spin, que lembra um pouco a agulha de uma bússola magnética e pode ser representada por uma seta. Sob um forte campo magnético paralelo ao tubo, apontando de baixo para cima, as setas desses spins tendem a se alinhar com o campo, metade delas apontando para baixo e metade para cima. O campo magnético também faz com que os spins apontando para baixo tenham mais energia que os spins voltados para cima.

© UFABC/Roberto Serra (infográfico da máquina quântica)

Os físicos manipulam os spins por meio de campos eletromagnéticos, que oscilam com uma frequência de 125 MHz (megahertz); o equipamento precisa ser isolado para não captar as estações de rádio FM que transmitem nessa frequência. Essas manipulações são feitas por meio de pulsos de onda e não duram mais que alguns microssegundos. O experimento acontece tão rapidamente que é como se, por alguns instantes, cada átomo de carbono no tubo de ensaio estivesse isolado do resto do Universo, submetido a uma temperatura muito próxima do zero absoluto (-273º Celsius). Os pesquisadores conseguem diminuir ou aumentar a diferença de energia entre os spins para baixo e para cima quando reduzem ou aumentam a amplitude de suas ondas de rádio. Quando essa mudança de amplitude é muito rápida, os spins saem de seu isolamento térmico e começam tanto a absorver energia das ondas de rádio – situação em que as ondas realizam trabalho sobre os spins – quanto a transmitir parte de sua energia para as ondas, realizando trabalho sobre elas. “Isso é muito difícil de medir, pois os spins dos carbonos podem trocar energia de quatro maneiras diferentes, todas acontecendo ao mesmo tempo, de maneira probabilística”, explica Serra. “Conheci um grupo na Alemanha que tentou fazer esse mesmo experimento por cinco anos sem sucesso.”

O que impediu o sucesso do grupo alemão, segundo Serra, foi o fato de os físicos tentarem medir diretamente quantas vezes a energia era emitida ou absorvida pelos spins. “O erro acumulado nessas medidas era tão grande que no fim não conseguiam determinar nada”, explica.

A solução chegou mais cedo para Serra, em fevereiro de 2013, quando o físico Mauro Paternostro, da Queen’s University, em Belfast, Irlanda, apresentou um seminário na UFABC sobre propostas inéditas de se observar o trabalho produzido por partículas de luz de maneira indireta. Logo Paternostro, atualmente professor visitante na UFABC, e Laura Mazzola, sua colega em Belfast, começaram a discutir com Serra, Auccauise e o estudante de doutorado na UFABC Tiago Batalhão como adaptar essas técnicas para observar o trabalho dos spins de carbono indiretamente. Com John Good, da Universidade de Oxford, Inglaterra, a equipe descobriu um modo esperto de usar os spins dos núcleos de hidrogênio das moléculas de clorofórmio para espiar o que acontece com os spins dos átomos de carbono enquanto realizam trabalho, sem interferir no processo.

A precisão do experimento foi suficiente para registrar variações de temperatura nos spins de carbono da ordem de bilionésimos de graus e verificar que a equação de Jarzinsky vale na escala subatômica. Outro resultado interessante: os spins de carbono possuem uma tendência maior de extrair energia das ondas de rádio quando a amplitude do pulso de onda é reduzida. A tendência se inverte quando a amplitude de onda é aumentada: os spins tendem a transferir energia para as ondas, ou seja, fazer trabalho sobre as ondas.

“Podemos explorar essa diferença para criar uma máquina térmica quântica”, diz Serra. A máquina funcionaria alternando pulsos de amplitude reduzida e aumentada entre dois estados de equilíbrio térmico, cada um com uma temperatura diferente. A máquina funcionaria de maneira parecida com a de um motor a combustão, que realiza trabalho mecânico com parte da energia química transformada em calor com a explosão do combustível.

A máquina de spins teria pouca utilidade: o trabalho produzido forneceria uma energia ínfima para as ondas de rádio, apenas suficiente para mexer o spin de um núcleo atômico qualquer. Serra está mais interessado em medir quanta energia ela gasta e quanto calor ela dissipa durante seu funcionamento.

“A técnica aplicada nesse experimento tem grande potencial”, diz o físico Lucas Céleri, da Universidade Federal de Goiás, que planeja observar a termodinâmica de uma única partícula de luz em parceria com os físicos Paulo Souto Ribeiro e Stephen Walborn, da Universidade Federal do Rio de Janeiro. “Avanços experimentais são muito raros na termodinâmica quântica, devido à necessidade de controlar o sistema quântico e seu isolamento do ambiente.”

Fonte: FAPESP (Pesquisa)

Novo dispositivo solar para gerar eletricidade

Paineis solares estão se tornando cada vez mais comuns. Esses dispositivos são criados com células fotovoltaicas, que absorvem os fótons da luz solar e energizam elétrons no material da célula, criando eletricidade.

© MIT (dispositivo solar termofotovoltaico)

Imagem do dispositivo em funcionamento. A brilhante faixa laranja é o cristal fotônico, aquecido pela luz solar concentrada e emitindo fótons para a célula fotovoltaica abaixo.

Atualmente, porém, a eficiência máxima de células fotovoltaicas comerciais é de aproximadamente 20%. Essa baixa eficiência vem do fato de que apenas fótons com uma certa quantidade de energia, ou seja, apenas parte do espectro solar, conseguem transferir energia suficiente para os elétrons formarem uma corrente; na prática, os outros fótons são desperdiçados.
A luz solar pode ser convertida em energia térmica, que por sua vez também pode ser usada para gerar eletricidade. A vantagem é que nenhuma parte do espectro é desperdiçada; todas podem ser convertidas em calor. Mas gerar eletricidade a partir de energia térmica solar normalmente requer um sistema de grande escala, com um arranjo de espelhos que refletem e concentram a luz do Sol em tanques ou canos cheios de água ou outros líquidos. O fluido aquecido normalmente é usado para produzir vapor, que gira uma turbina, gerando eletricidade. Ainda que a eficiência desses sistemas seja maior que a de células fotovoltaicas, cerca de 30% em alguns casos, eles não podem ser reduzidos para serem instalados no seu telhado.  
Para superar os vários obstáculos de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) criou um novo dispositivo que combina os elementos dos dois. Essa invenção é conhecida como “dispositivo solar termofotovoltaico”.
Ainda que outros pesquisadores tenham desenvolvido dispositivos desse tipo no passado, a nova criação é a mais eficiente até o momento, de acordo com Evelyn Wang, professora associada de engenharia mecânica do MIT. Mas apesar do avanço, o dispositivo só atinge uma eficiência de 3%.

Mesmo assim, a conquista é notável. Há dois anos, Alejandro Datas, pesquisador da Instituto de Energia Solar da Universidade Politécnica de Madrid, que não se envolveu no estudo, construiu um dispositivo termofotovoltaico que alcançou 1% de eficiência. Ele aponta que triplicar essa eficiência em tão pouco tempo é algo significativo.
Para construir seu dispositivo, os cientistas do MIT usaram nanotubos de carbono, que absorvem luz solar com extrema eficiência; eles se aproximaram do teórico “corpo negro”, que absorve 100% da luz que os atinge.

Os cientistas usaram luz solar concentrada no absorvedor de carbono, elevando sua temperatura a aproximadamente mil graus Celsius. O absorvedor fica anexado a um cristal fotônico, composto de um conjunto de camadas de silício e dióxido de silício, que começa a brilhar em temperaturas tão altas. O cristal brilhante emite fótons, que viajam até a célula fotovoltaica subjacente. Mas ao contrário da luz solar comum, a maior parte dos fótons emitidos pelo cristal tem energia suficiente para fazer com que os elétrons gerem uma corrente elétrica. Ao converter a luz solar em calor, e depois reconvertê-la em luz, o dispositivo ajusta a energia dos fótons absorvidos pela célula fotovoltaica, maximizando seu potencial para gerar eletricidade.
Como os nanotubos de carbono absorvem a luz solar com tanta eficiência, eles não desperdiçam nenhuma parte do espectro, convertendo quase todo ele em energia térmica.
Wang explica que como a luz do Sol também é transformada em calor, essa energia pode ser armazenada com mais facilidade que a eletricidade direta produzida por células fotovoltaicas. A energia pode ser armazenada usando meios térmicos ou químicos, isso pode ser feito com a utilização de compostos químicos como sal derretido que se liquefaz quando aquecido, e em seguida libera o calor absorvido quando volta a se solidificar.
Andrej Lenert, alundo de doutorado do MIT, aponta que “a qualquer momento em que se passa por esse processo de conversão térmica, abre-se a possibilidade de armazenar essa energia na forma de calor”. Essa capacidade permite que a energia solar armazenada na forma de calor seja convertida em eletricidade no futuro, seja à noite ou quando o Sol estiver coberto. Armazenar a eletricidade de células fotovoltaicas convencionais exige baterias, que não são práticas na escala de telhados, e que têm alto custo em escalas maiores.
Além do aumento na eficiência, Lenert acredita que o trabalho de sua equipe servirá como referência para avanços futuros na área da termofotovoltaica solar. “Acredito que os procedimentos experimentais e as metodologias que estabelecemos beneficiarão o avanço da comunidade”, declara ele.
Esse grande avanço, é claro, será superar a marca de 20% de eficiência estabelecida por células fotovoltaicas.
Wang acredita que a equipe está no caminho certo. Parte do problema, de acordo com ela, é a escala. O dispositivo que eles construíram tem o tamanho de uma unha; como a área é pequena em relação ao comprimento das extremidades, perde-se mais calor por meio da inevitável dissipação. O aumento do tamanho resultará em um aumento exponencial da área em relação ao comprimento, reduzindo a perda de calor. “Se pudermos aumentar a escala, conseguiremos superar a eficiência de 20%”, conclui ela.

Fonte: Nature Nanotechnology

Gerador piroelétrico

Um fenômeno observado pela primeira vez por um filósofo grego, há 2.300 anos, está se tornando a base para um novo dispositivo que pretende nada menos do que aproveitar o calor desperdiçado hoje.

© Nano Letters (nanofios de óxido de zinco)

Zhong Lin Wang e seus colegas da Universidade de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, indagam que mais de 50% da energia gerada a cada ano vai para o lixo.

Em sua maior parte, ela é desperdiçada no ambiente na forma de calor, por computadores, carros, linhas de transmissão de longa distância, e uma infinidade de outros "vazamentos de energia".

Para tentar capturar esse calor, e reconvertê-lo em eletricidade, eles projetaram um gerador piroelétrico, que tem potencial para ser colocado ao lado dos dispositivos que aquecem quando funcionam, transformando esse calor em eletricidade.

O calor pode ser convertido em eletricidade aproveitando o chamado efeito piroelétrico, descrito pela primeira vez pelo filósofo grego Teofrasto, em 314 AC.

Teofrasto percebeu que a turmalina, quando aquecida, produzia eletricidade estática, atraindo pedaços de palha.

O aquecimento e o resfriamento rearranjam a estrutura molecular de certos materiais, incluindo a turmalina, criando um desequilíbrio de elétrons, gerando uma corrente elétrica.

A conversão termoelétrica geralmente é feita explorando o efeito Seebeck, mas os cientistas argumentam que o efeito piroelétrico é mais eficiente em ambientes onde a temperatura é espacialmente uniforme, sem gradientes térmicos.

Como provavelmente não seria economicamente viável usar a turmalina, os pesquisadores construíram seu gerador piroelétrico usando nanofios de óxido de zinco.

Fabricado com técnicas usadas pela indústria eletrônica, o gerador piroelétrico é pequeno, e produz correntes com potências na faixa dos microwatts.

Para demonstrar que todo o seu entusiasmo com a tecnologia pode ter um apelo prático, os pesquisadores terão antes que demonstrar a possibilidade de fabricar o gerador piroelétrico em uma estrutura flexível, que possa ser colada nos equipamentos que desperdiçam calor.

Por enquanto, o dispositivo pode se enquadrar como um nanogerador, capaz de realizar acúmulo de energia.

Fonte: Nano Letters

Um diodo emissor de luz eficiente

Físicos conseguiram demonstrar na prática, pela primeira vez, que um semicondutor pode emitir mais energia do que consome.

© APS (diodo emissor de luz)

O semicondutor é um diodo emissor de luz (LED) que absorve energia na forma de eletricidade e a emite na forma de luz.

Os cálculos teóricos que indicavam que isso era possível foram feitos há décadas.

A energia absorvida por um elétron que viaja através de um LED é igual à sua carga vezes a tensão aplicada, que causou seu movimento.

Mas se esse elétron ocasionar a emissão de um fóton, ou seja, se ele produzir luz, a energia do fóton emitido depende da chamada bandgap - a diferença de energia entre os elétrons da camada de condução e da camada de valência - que pode ser muito maior.

Ou seja, potencialmente a energia gerada pode ser maior do que a energia consumida. Mas ninguém nunca havia visto isto acontecer na prática.

Como, na maior parte dos casos, a grande maioria dos elétrons não produz fótons, o rendimento médio, em termos da luz emitida por um LED, fica abaixo da potência elétrica consumida.

Parthiban Santhanam e seus colegas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) conseguiram produzir o efeito previsto pela teoria, ainda que, em seu LED, menos de 1 em cada 1.000 elétrons produza efetivamente um fóton.

Eles criaram um LED com uma bandgap muito estreita, e aplicaram uma tensão tão pequena que o componente funciona como se fosse um resistor.

A partir daí, eles começaram a cortar a tensão pela metade, reduzindo a potência elétrica por um fator de 4.

Mas o número de elétrons caiu apenas por um fator de 2, e consequentemente a potência da luz emitida.

Ao chegar a uma potência elétrica de entrada de 30 picowatts, os pesquisadores detectaram cerca de 70 picowatts de luz emitida.

Essa energia extra vem das vibrações da rede atômica do material, induzidas pelo calor ambiente; logo, o LED se resfria ligeiramente, como acontece nos trocadores de calor termoelétricos.

O experimento fornece luz insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Contudo, ele demonstra que aquecer os diodos emissores de luz aumenta sua potência de saída e sua eficiência.

Isso significa que eles podem se comportar como motores de calor termodinâmicos, mas provavelmente não nas altas velocidades de chaveamento que eles alcançam nos aparelhos eletrônicos modernos.

Fonte: Physical Review Letters

Energia gerada por fusão nuclear a laser

O sonho de dominar a energia das estrelas continua prosperando.

© LLNL/NIF (laser implode a esfera contendo hidrogênio pesado)

A fusão a laser é uma tecnologia diferente da chamada "fusão magneticamente induzida", usada no ITER e em outros experimentos.

Esta tecnologia está sendo usada no projeto Hiper, que pretende iniciar a fusão nuclear usando um equipamento de raio laser, e no projeto JET (Joint European Torus).

Agora, pelo menos três parceiros de peso acabam de anunciar um esforço conjunto para tentar domar a fusão nuclear a laser.

A equipe será formada pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore (EUA), Laboratório Rutherford Appleton (Grã-Bretanha) e pela empresa privada AWE.

Em altas temperaturas e pressões, os núcleos dos isótopos pesados de hidrogênio - deutério e trítio - formam um plasma, podendo ser fundidos para formar hélio, liberando energia e um nêutron.

Disparando feixes sincronizados de laser pulsado é possível vaporizar a superfície de uma esfera cheia desses isótopos, forçando a esfera a implodir, produzindo assim as condições de fusão em seu interior durante alguns bilionésimos de segundo.

O efeito físico se assemelha à detonação de uma bomba termonuclear (bomba de hidrogênio), embora em uma escala muito menor.

Os reatores de fusão magnética disparam um poderoso pulso elétrico sobre o hidrogênio pesado para produzir um plasma. Um forte campo magnético é então usado para confinar o plasma, antes que a fusão possa ocorrer. Isso não é fácil, porque o plasma pode tornar-se instável e mesmo vazar.

Por outro lado, a fusão a laser produz temperaturas e pressões muito mais elevadas, de modo que a fusão ocorre mais rápido - com isto, o plasma precisa ser confinado por apenas alguns bilionésimos de segundo, o que é muito mais simples.

A fusão nuclear de qualquer um dos dois tipos é atraente como fonte de energia porque seu combustível é mais abundante, e o processo não produz os isótopos altamente radioativos gerados pela divisão de átomos de urânio.

Mas os nêutrons da fusão são perigosos e tornarão radioativos os materiais usados no interior do reator - estima-se que as placas internas de um reator tokamak precisarão ser constantemente trocadas.

O trítio no combustível também é radioativo: ele emite partículas beta, mas tem a vantagem de ter uma meia-vida de apenas 12,5 anos.

A fusão a laser vem sendo estudada desde a década de 1960, com fins bélicos.

Hoje, o maior laser de fusão é o NIF (National Ignition Facility) em Livermore, que é um dos participantes do acordo agora anunciado.

Até o final do próximo ano, o laboratório espera atingir a "ignição", produzindo mais energia a partir da fusão nuclear do que é necessário para gerar o pulso de laser.

Enquanto isso, não se espera que o ITER - que usa a fusão magnética - atinja a ignição antes de 2020.

Lasers menores estão sendo usados em programas de fusão no Rutherford Appleton (outro parceiro do novo acordo), na Universidade de Rochester (EUA) e na Universidade de Osaka (Japão).

A França está construindo um sistema do mesmo porte do NIF chamado Laser Megajoule.

Mike Dunne, do Laboratório Lawrence Livermore, diz que, se tudo correr bem, uma usina de fusão de 440 megawatts poderá ser instalada em uma década. Projetos futuros, maiores, poderiam atingir até 1 GW (1.000.000.000 W).

Mas é bom não confiar muito nessas previsões. Tudo é novo na área, e os físicos e os engenheiros nem mesmo sabem os problemas que terão pela frente.

Como esta aplicação é nova na área, muitos problemas surgirão. Portanto, ainda não há previsão consistente dos resultados.

Fonte: New Scientist

Isolando pedaços de luz

Ondas possuem picos e vales, sejam elas as ondas do mar ou as ondas eletromagnéticas.

© Thorsten Naeser (pulsos no ultravioleta, visível e infravemelho)

Quando duas ondas, com diferentes comprimentos de onda, se sobrepõem precisamente, esses padrões de picos e vales se tornam mais complexos e menos repetitivos.

Eventualmente, na sequência da interação, não haverá mais nenhum ciclo, apenas um ponto isolado, apontando em alguma direção específica.

Mas Adrian Wirth e seus colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, acabam de confinar um feixe de luz de grande espectro em pulsos que são mais curtos do que um único ciclo óptico.

A luz original é um feixe de laser branco, que contém comprimentos de onda que vão do infravermelho próximo ao ultravioleta, passando pelo espectro visível, uma espécie de arco-íris.

Esse laser branco é dirigido para o "sintetizador luminoso", o novo aparato criado pelos pesquisadores. De forma similar a um sintetizador de som, que superpõe as ondas sonoras de diferentes frequências para criar sons e ritmos diferentes, o sintetizador de luz superpõe ondas ópticas de diferentes cores e fases para criar vários formatos de onda. Os feixes são visualizados com a ajuda de vapor de nitrogênio.

© Thorsten Naeser (protótipo do sintetizador de campo luminoso)

O resultado é um pacote único de luz, mais curto do que uma onda completa da luz.

Essa "luz sem ciclo" compacta todas as interações entre os diversos comprimentos de onda em um único ponto luminoso.

Essa aplicação cria deverá viabilizar o estudo da dinâmica dos elétrons de uma forma que não era possível até agora, porque essas alterações eletrônicas acontecem em escalas temporais muito pequenas.

Isso permitirá, por exemplo, que os cientistas acompanhem os detalhes das reações químicas, hoje basicamente restritas ao "antes e depois" da própria reação.

A produção de transientes ópticos de sub-ciclo abre novas perspectivas para dirigir o movimento dos elétrons em escala atômica com a força elétrica da luz, assim como para conduzir complexas dinâmicas nas camadas de valência de moléculas.

Essa ferramenta será crucial para o desenvolvimento da chamada fotossíntese artificial, que depende da compreensão detalhada das reações químicas que os fótons do Sol induzem nas plantas, que possibilitará criar uma nova fonte de energia limpa, de alta eficiência e totalmente renovável.

No primeiro experimento realizado usando esse processo, os cientistas arrancaram o elétron da camada mais externa de um átomo do gás criptônio. O processo levou 700 attossegundos - o processo mais rápido já induzido opticamente até hoje.

Fonte: Science