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Os físicos aproveitam o tunelamento quântico para coletar energia do calor da Terra

80% da radiação solar é absorvida pela atmosfera. Esta equipe encontrou uma maneira de aproveitar o resto.

Estima-se que haja milhões de gigawatts de energia limpa perdida a cada segundo na Terra. Cerca de 80% da radiação solar que atinge nosso planeta é absorvido pela atmosfera, pelos oceanos e pela superfície do planeta. O que resta é a radiação infravermelha (IR). Esta fonte de energia limpa e abundante permanece inexplorada, por enquanto. Conhecido como desperdício de calor, os cientistas têm coçado a cabeça, tentando descobrir como recuperar essa energia para fins humanos.

Infelizmente, as ondas são minúsculas e duram apenas um quatrilionésimo de segundo. Como tal, ninguém foi capaz de construir uma antena pequena o suficiente para coletá-la. Além da dificuldade de fabricar ou testar uma antena em nanoescala, as ondas infravermelhas oscilam milhares de vezes mais rápido do que a velocidade com que um semicondutor pode mover elétrons através de uma junção. Em outras palavras, as ondas se movem rápido demais para nos permitir coletar eletricidade delas.

Então, um grupo de físicos decidiu tentar uma tática diferente, usando o tunelamento quântico. E recentemente eles anunciaram um avanço. Os cientistas, vindos da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST), na Arábia Saudita, criaram uma forma de coletar essa energia e transformá-la em eletricidade. Seus resultados foram publicados na revista Materiais Hoje Energia .

Um diagrama de tunelamento quântico. Crédito: Cranberry, Wikimedia Commons.

Em vez de lidar com a situação como ela é, os pesquisadores da KAUST decidiram tratar a radiação IV como ondas eletromagnéticas. O pesquisador principal Atif Shamim disse que 'Não há diodo comercial no mundo que possa operar em tão alta frequência.' Para fazer essa descoberta, eles se voltaram para o tunelamento quântico. Este é um fenômeno estranho na mecânica quântica, onde uma partícula pode se mover através de uma barreira sólida, que não tem energia para superar.

Digamos que uma bola bate na parede. Esta bola é uma partícula e a parede, uma barreira que ela encontra. A bola não tem energia suficiente para pular a parede. Tão inexplicavelmente, de alguma forma ela se desvia por um túnel, desaparecendo e reaparecendo repentinamente do outro lado. O tunelamento requer menos energia do que escalar e é possível devido ao que é conhecido como superposição.

Uma vez que a posição e forma de qualquer partícula não é completamente fixa, até medida, este estado ambíguo permite que as partículas façam algumas coisas muito estranhas e surpreendentes que não podem ser explicadas pela física clássica. Embora o tunelamento quântico esteja começando a ser usado na tecnologia, como na computação quântica, os físicos ainda não entendem exatamente como ou por que isso acontece.

O ARQUIVO E A ANTENA. Crédito: FOLDER.

Então, o que os pesquisadores do KAUST fizeram foi, em vez de usar um semicondutor para mover os elétrons, eles aproveitaram o tunelamento quântico. Shamim e seus colegas criaram uma nano-antena em forma de gravata borboleta conectada a um diodo de metal isolante (MIM). As ondas infravermelhas são atraídas pela antena e, em seguida, passam por uma barreira incrivelmente fina, que permite que os elétrons sejam coletados em questão de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo).

A antena em nanoescala é composta por dois braços de metal sobrepostos com uma fina película de ouro e titânio no meio, permitindo a geração de um campo elétrico que convida à construção de túneis. O material usado não fica quente ou frio , por isso não precisa ser resfriado ou aquecido.

Essa tecnologia é escalonável, pois seu design é baseado em propriedades físicas e não químicas. O pesquisador de pós-doutorado Gaurav Jayaswal, que trabalhou no projeto, disse em um comunicado à imprensa: 'A parte mais desafiadora foi a sobreposição em nanoescala dos dois braços da antena, que exigia um alinhamento muito preciso. No entanto, combinando truques inteligentes com as ferramentas avançadas nas instalações de nanofabricação da KAUST, concluímos esta etapa. ”

Os pesquisadores dizem que isso pode ser uma verdadeira “virada de jogo” para a energia renovável. Enquanto os painéis solares fotovoltaicos só podem coletar energia durante o dia, quando o sol está brilhando, o calor infravermelho pode ser coletado 24 horas por dia, 7 dias por semana, em qualquer clima. Esse método também pode ser usado para recuperar energia do calor residual gerado durante os processos industriais.

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No futuro, milhões desses dispositivos podem ser configurados para coletar energia. Mesmo assim, muitos desafios técnicos ainda estão por vir. De acordo com o Dr. Shamim, este foi apenas um estudo de prova de conceito, o início de uma longa jornada em direção a uma nova forma de energia pura, limpa e sem desperdício de energia.

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