Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Imagine um dispositivo que pode gerar eletricidade sem estar ligado a uma tomada na parede ou sentado ao lado de um fogo. Ele não precisa de uma fonte de calor de um lado e de um dissipador de calor do outro, como a maioria dos geradores de energia faz. Em vez disso, ele cria sua própria diferença de temperatura usando água e luz solar. Este é o reino dos geradores termoelétricos que flutuam na água. Eles funcionam com base em um princípio simples: quando a água evapora de uma superfície úmida, ela leva o calor consigo, deixando essa superfície mais fria do que o ar circundante. Se um material puder absorver a luz solar para se manter quente enquanto simultaneamente evapora água para se manter frio, uma lacuna de temperatura se forma através de sua superfície. Essa lacuna pode ser convertida diretamente em eletricidade. Durante anos, cientistas tentaram tornar esses dispositivos flutuantes mais poderosos, mas enfrentaram um problema persistente. A mesma luz solar que aquece o dispositivo também aquece as mesmas partes que deveriam permanecer frias, efetivamente cancelando a diferença de temperatura da qual o dispositivo depende.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tokai, no Japão, encontrou uma maneira de resolver esse problema ao tratar o lado de resfriamento do dispositivo com uma máscara especial. Eles descobriram que, ao cobrir a área de resfriamento com um material que reflete a luz solar, mas ainda permite a passagem da água, poderiam dobrar a eletricidade que o dispositivo produz. A chave para o sucesso deles foi um material chamado diatomito, um pó natural feito das conchas fossilizadas de algas microscópicas. Este material é naturalmente poroso e branco. Quando os pesquisadores aplicaram uma camada dele ao lado de resfriamento de seu gerador flutuante, ele agiu como um espelho, desviando o calor do sol, enquanto seus minúsculos poros permitiam que a água viajasse através dele e evaporasse. O resultado foi um dispositivo que permaneceu significativamente mais frio em um dos lados, criando uma lacuna de temperatura muito maior e, consequentemente, um sinal elétrico muito mais forte.

O próprio dispositivo é construído a partir de um filme fino e autossustentável de nanotubos de carbono de parede única, que são formas de carbono incrivelmente minúsculas e em forma de tubo. Este filme é leve, flexível e forte o suficiente para flutuar. Ele é colocado sobre uma folha de plástico com furos retangulares recortados, permitindo que a água suba através do filme por ação capilar, de forma muito semelhante à água subindo em um papel toalha. À medida que a água atinge a superfície do filme, ela evapora, resfriando essa área específica. O restante do filme, que está exposto ao sol, mas não em contato com a água, permanece quente. Essa diferença de temperatura através do filme gera uma voltagem. Em versões anteriores deste dispositivo, toda a superfície, incluindo a área de resfor, absorvia a luz solar, o que aquecia a zona de resfriamento e enfraquecia a diferença de temperatura. Os pesquisadores perceberam que, para obter mais potência, precisavam impedir que o sol aquecesse a zona de resfriamento sem impedir a evaporação da água.

Para testar essa ideia, a equipe construiu quatro versões diferentes do gerador flutuante. O primeiro foi um dispositivo de controle sem nenhuma máscara. O segundo foi coberto com uma máscara branca sólida feita de resina acrílica, que refletia bem a luz solar, mas bloqueava a passagem da água. O terceiro era uma máscara de duas camadas com a mesma resina acrílica na parte inferior e uma camada de diatomito no topo; isso refletia a luz, mas ainda bloqueava o caminho da água porque a resina selava a superfície. O quarto dispositivo foi coberto apenas com a camada de diatomito, que reflete a luz e permite que a água passe através de seus poros naturais. Eles colocaram todos os quatro dispositivos em um recipiente de água sob um sol artificial brilhante que simulava a intensidade de um dia claro, medindo a eletricidade produzida e a quantidade de água evaporada ao longo de trinta minutos.

Os resultados mostraram um vencedor claro. O dispositivo sem máscara produziu uma pequena voltagem de 0,25 milivolts. Os dispositivos com as máscaras brancas sólidas, que refletiam o sol mas interrompiam o fluxo de água, produziram uma voltagem ligeiramente superior de 0,34 milivolts. Essa melhoria provou que refletir a luz solar ajudava, mesmo que custasse parte do resfriamento evaporativo. No entanto, o dispositivo com a máscara de diatomito, que tanto refletia o sol quanto deixava a água passar, produziu uma voltagem de 0,50 milivolts. Isso era exatamente o dobro da produção do dispositivo sem máscara. A máscara de diatomito também permitiu a maior evaporação de água, com 670 miligramas perdidos em trinta minutos, comparado aos 535 miligramas do dispositivo sem máscara. A estrutura porosa do diatomito aumentou a área de superfície onde a água poderia se transformar em vapor, aumentando o efeito de resfriamento, enquanto a cor branca mantinha o calor do sol à distância.

Os pesquisadores analisaram cuidadosamente por que essa combinação funcionou tão bem. Eles descobriram que o ganho de potência veio de duas fontes distintas que se somaram perfeitamente. A primeira fonte foi a reflexão da luz solar, que impediu o aquecimento da área de resfriamento. A segunda fonte foi a continuação da evaporação da água através da máscara porosa, que ativamente removeu o calor. Quando compararam os dispositivos, viram que simplesmente refletir a luz sem deixar a água passar deu um pequeno aumento, mas abrir o caminho para a água mantendo a reflexão deu um aumento muito maior. A máscara de diatomito conseguiu fazer as duas coisas ao mesmo tempo. A equipe calculou que a diferença de temperatura através do filme no melhor dispositivo era de 2,60 graus Celsius, o dobro dos 1,30 graus observados na versão sem máscara. Esse dobramento da lacuna de temperatura levou diretamente ao dobro da produção elétrica.

Esta descoberta é importante porque mostra uma nova maneira de melhorar a colheita de energia do ambiente. A maioria dos dispositivos termoelétricos requer um suprimento constante de calor de um lado e um suprimento constante de frio do outro, o que limita onde eles podem ser usados. Dispositivos que criam sua própria diferença de temperatura podem operar em qualquer lugar que haja água e luz, tornando-os ideais para sensores não monitorados em lagos ou oceanos. O estudo prova que você não precisa mudar o material central do gerador para torná-lo melhor; você só precisa projetar a superfície que enfrenta o lado de resfriamento. Ao usar um material que é simultaneamente reflexivo e permeável, os pesquisadores criaram uma camada de resfriamento que é muito mais eficaz do que qualquer design anterior. A máscara de diatomito, um composto simples de conchas de sílica natural e um aglutinante de gesso, revelou-se a solução perfeita, oferecendo um caminho prático para fontes de energia mais poderosas e autossustentáveis para o futuro.