Tunelamento quântico permite gerar energia a partir de radiação desperdiçada

Um grupo de investigadores da Universidade de Ciências e Tecnologia do Rei Abdullah, na Arábia Saudita, descobriu uma forma de transformar a energia desperdiçada que chega à Terra em forma de radiação infravermelha e calor em eletricidade.

A inovação agora descoberta por investigadores da Arábia Saudita só é possível graças ao tunelamento quântico, um dos fenómenos mais estranhos da mecânica quântica. Os resultados foram publicados em novembro na revista Materials Today Energy.

A chave para a ideia é uma antena especialmente projetada para detetar o desperdício ou o calor infravermelho como ondas eletromagnéticas de alta frequência, transformando esses sinais de onda numa carga direta.

Há muita energia a chegar à Terra todos os dias, e não usamos grande parte dela. A maioria desse desperdício vem na forma de luz solar que atinge o planeta e é absorvida pelas superfícies, oceanos e pela atmosfera. Este aquecimento leva a um vazamento constante de radiação infravermelha que, estima-se, está na casa dos milhões de gigawatts a cada segundo.

O problema é que os comprimentos de onda infravermelhos são muito curtos. Para aproveitá-los, são necessárias antenas super pequenas. De acordo com a equipa internacional de investigadores responsável pelo 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 viramos para o tunelamento quântico”, diz o investigador principal, Atif Shamim.

O tunelamento quântico é um fenómeno bem estabelecido na física quântica, no qual uma partícula pode atravessar uma barreira mesmo sem ter energia suficiente para o fazer.

Um dos exemplos usados ​​mais frequentemente é o de uma bola que desce uma colina: na física clássica, a bola precisa de uma certa quantidade de energia a impulsioná-la para subir a colina e chegar ao outro lado.

Na física quântica, no entanto, a bola pode atravessar a colina com menos energia, graças à incerteza do posicionamento, o coração de tudo que é quântico.

Esse “atalho” permite que os eletrões sejam movidos por uma pequena barreira, através de um dispositivo de tunelamento como um diodo metal-isolador-metal (MIM), que transforma 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. “No entanto, ao combinar truques inteligentes com as ferramentas avançadas na instalação de nanofabricação, 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 apenas quando necessário. Experiências com exposição ao infravermelho revelaram que a energia foi recolhida com sucesso apenas vinda da radiação, e não de efeitos térmicos.

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 colectores de energia podem operar sem interrupções, independentemente do clima.

Apesar disso, este é apenas mais um passo no caminho para desenvolver esta tecnologia – outros cientistas estão a trabalhar noutros ângulos da questão. Os cientistas dizem que muitos desafios técnicos ainda estão pela 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 ligados para aumentar a geração de eletricidade”, acrescenta.

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