Antena gera energia capturando elétrons fantasmas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/05/2021

Micrografia de uma rectena - milhares delas precisam funcionar conjuntamente para gerar uma quantidade útil de eletricidade.
[Imagem: Amina Belkadi et al. - 10.1038/s41467-021-23182-0]

Antenas de luz

Luz é radiação eletromagnética, por isso, assim como se usam antenas para capturar as ondas de rádio, pode-se usar antenas ópticas para capturar a luz - são as chamadas rectenas, ou antenas de retificação.

É um campo ainda em início de desenvolvimento, mas há uma grande expectativa de que rectenas possam coletar os mais diversos comprimentos de onda - luz visível, calor etc. - para gerar eletricidade, em um mecanismo que pode teoricamente ser mais simples e mais eficiente do que as células solares.

Agora, Amina Belkadi e seus colegas da Universidade do Colorado, nos EUA, construíram as rectenas ópticas mais eficientes feitas até hoje, dando um salto de qualidade em todo esse campo de pesquisa.

Os dispositivos, que são pequenos demais para serem vistos a olho nu, mas se mostraram cerca de 100 vezes mais eficientes do que seus equivalentes anteriores ao explorar um fenômeno da física quântica.

"Nós demonstramos pela primeira vez os elétrons passando por um tunelamento ressonante em uma rectena óptica de coleta de energia. Até agora, isso era apenas uma possibilidade teórica," disse a pesquisadora.

Rectenas

As rectenas têm um princípio de funcionamento muito simples: Uma antena de um material sensível à luz no comprimento de onda que se deseja coletar, e um diodo, que retifica essa radiação eletromagnética - daí o nome rectena, ou antena de retificação.

O problema é que, para capturar calor ou luz visível, que têm comprimentos de onda muito pequenos, essas antenas ópticas precisam ser minúsculas, na faixa dos nanômetros. Não é um problema fabricar componentes nessas dimensões atualmente, mas a redução do tamanho também aumenta a resistência elétrica dos componentes, reduzindo a energia que elas produzem.

"Você precisa que este componente tenha resistência muito baixa, mas também precisa ser realmente responsivo à luz. Qualquer coisa que você fizer para tornar o componente melhor de uma forma tornará a outra pior," explicou Amina.

Outras equipes estão usando rectenas para transformar os sinais de Wi-Fi em eletricidade.
[Imagem: Christine Daniloff]

Tunelamento quântico

A pesquisadora então encontrou uma solução que contorna inteiramente esse jogo ganha-perde.

Em uma rectena tradicional, os elétrons precisam passar por um material isolante - que separa a própria antena de seu substrato - que aumenta a resistência elétrica. Como não dá para se livrar desse isolante, Amina acrescentou outro, criando um fenômeno energético conhecido como "poço quântico".

Quando os elétrons atingem esse poço com a energia certa, eles simplesmente viajam como fantasmas através dos dois isoladores por meio do fenômeno do tunelamento quântico, pelo qual partículas se comportam como ondas, podendo atravessar barreiras sólidas, mais ou menos como ondas de rádio atravessam as paredes.

Isso significa que os elétrons não sofrem qualquer resistência no processo.

"Se você escolher seus materiais corretamente e fabricá-los na espessura certa, isso cria esse tipo de nível de energia em que os elétrons não veem resistência. Eles simplesmente passam chispando," disse Amina.

Reciclagem de energia

Para testar o efeito, a pesquisadora construiu uma rede de cerca de 250.000 rectenas, que têm a forma de minúsculas gravatas-borboleta, e a utilizou para capturar o calor de uma placa metálica.

O rendimento do protótipo foi pequeno - cerca de 1% de eficiência - mas a equipe acredita que dá para melhorar muito, tanto selecionando novos materiais, quanto ajustando suas dimensões.

De qualquer forma, qualquer eficiência pode ser boa quando se trata de aproveitar uma energia que de outra forma é desperdiçada, como o calor de equipamentos industriais, motores de automóveis ou mesmo em painéis solares.

Bibliografia:

Artigo: Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal (MI2M) diodes
Autores: Amina Belkadi, Ayendra Weerakkody, Garret Moddel
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 2925
DOI: 10.1038/s41467-021-23182-0