Descoberta nova forma de capturar energia do Sol

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/02/2013

Protótipo da célula metálica de fotossíntese artificial que usa a luz do Sol para produzir hidrogênio - APSW é a sigla em inglês para divisor de água solar plasmônico autônomo.[Imagem: Mubeen et al./Nature Nanotechnology]

Célula solar metálica

Células solares fotovoltaicas, coletores termossolares e dispositivos de fotossíntese artificialestão entre as possibilidades de coletar e aproveitar a energia solar.

Agora, cientistas da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos Estados Unidos, descobriram uma forma totalmente nova de capturar a energia do Sol.

A maior vantagem da nova técnica é que ela se baseia inteiramente em metais, que são mais robustos do que os materiais semicondutores utilizados tradicionalmente.

"É a primeira alternativa radicalmente nova e potencialmente funcional aos dispositivos de conversão baseados em semicondutores nos últimos 70 anos ou mais," garante o professor Martin Moskovits, coordenador da equipe.

Células solares de semicondutores

Nas células solares atuais, a luz solar atinge uma camada de material semicondutor, um lado da qual é rica em elétrons (cargas negativas), e o outro é rico em lacunas (cargas positivas).

Os fótons do Sol excitam os elétrons, arrancando-os de suas posições e fazendo-os correr para o lado rico em lacunas, de onde são coletados na forma de eletricidade, podendo também acionar mecanismos de fotossíntese artificial.

"Por exemplo, os elétrons podem fazer com que íons de hidrogênio na água sejam convertidos em hidrogênio, um combustível, enquanto as lacunas produzem oxigênio," explica Moskovits.

Fotossíntese artificial com metais

Na nova técnica, não é um semicondutor que fornece os elétrons para iniciar o processo, é uma floresta de nanobastões de metais.

A demonstração usou nanobastões de ouro revestidos com uma camada de dióxido de titânio cristalino. No topo, foram depositadas nanopartículas de platina e, na base, um catalisador à base de cobalto.

O conjunto inteiro foi mergulhado em água, a fim de produzir hidrogênio diretamente da luz do Sol.

Cientistas afirmam que o uso de metais para coletar a energia solar é a primeira alternativa na área em mais de 70 anos. [Imagem: Mubeen et al./Nature Nanotechnology]

O mecanismo de geração das cargas é diferente das células solares fotovoltaicas de silício, por exemplo. Em vez de excitar e expulsar os elétrons, os fótons criam ondas coletivas de elétrons na superfície dos metais, chamadas plásmons de superfície.

Conforme os elétrons dessas ondas plasmônicas recebem energia das partículas de luz, alguns escalam o nanobastão metálico através do dióxido de titânio, até atingirem as nanopartículas de platina.

Isso gera uma reação que arranca íons dehidrogênio das moléculas que formam a água.

Enquanto isso, as lacunas deixadas para trás pelos elétrons descem até o catalisador na base dos nanobastões, ajudando a capturar o oxigênio liberado na reação.

Energia renovável e limpa

Durante o experimento, não foi observada qualquer corrosão nos nanobastões metálicos.

"O dispositivo funcionou sem interrupção ou falha por várias semanas," conta Moskovits.

Segundo ele, o próximo passo da pesquisa é aumentar a eficiência do processo, eventualmente permitindo a realização da longamente sonhada "economia do hidrogênio", onde o combustível limpo poderá ser produzido a partir da mais abundante e constantemente renovada energia disponível na Terra, a luz do Sol.

Bibliografia:

An autonomous photosynthetic device in which all charge carriers derive from surface plasmons
Syed Mubeen, Joun Lee, Nirala Singh, Stephan Krämer, Galen D. Stucky, Martin Moskovits
Nature Nanotechnology
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2013.18

Células solares superam biocombustíveis em km rodados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/02/2013

Sol em quilômetros rodados

O que faz mais sentido: cultivar plantas para produzir etanol para abastecer carros com motor a combustão, ou usar células solares para gerar eletricidade para recarregar baterias de carros elétricos?

"A fonte de energia para os biocombustíveis é o Sol, através da fotossíntese. A fonte de energia da energia solar também é o Sol," explica Roland Geyer, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos Estados Unidos.

Para descobrir a resposta, Geyer e seus colegas analisaram a eficiência relativa das diversas tecnologias para converter uma determinada quantidade de luz solar em quilômetros percorridos pelos carros.

Os pesquisadores examinaram três maneiras de usar a luz solar para movimentar os carros:

1. o tradicional método de conversão de plantas em etanol;
2. a conversão de culturas energéticas diretamente em eletricidade, em vez de produzir etanol; e
3. o uso de células fotovoltaicas para converter a luz solar diretamente em eletricidade para alimentar veículos elétricos a bateria.

Os resultados deixam pouca margem para discussão.

"As células fotovoltaicas são várias ordens de magnitude mais eficientes do que a rota dos biocombustíveis em termos de uso da terra - 30, 50 e até 200 vezes mais eficientes, dependendo da planta específica e das condições locais," diz Geyer.

Ciclo de vida

Focando a avaliação do ciclo de vida em três fatores de impacto - uso da terra, ciclo de vida das emissões de gases estufa e consumo de combustíveis fósseis - os pesquisadores concluíram que a energia solar gerada pelas células fotovoltaicas é melhor quando se considera aquilo que eles chamam de conversão sol-movimento-das-rodas, ou luz do Sol em quilômetros rodados.

"O gargalo para os biocombustíveis é a fotossíntese. Ela tem no máximo uma eficiência de 1% na conversão da luz do Sol em grãos, enquanto as células fotovoltaicas de filme fino atuais têm uma eficiência de pelo menos 10% na conversão da luz do Sol em eletricidade," diz o pesquisador.

As células solares de filme fino são as mais promissoras devido ao seu baixo custo. As células solares de silício são mais caras, mas possuem eficiências muito superiores.

Bala de prata

O que isso significa em termos de decisões políticas para um combustível do futuro?

"O que este estudo me mostrou é que a biomassa simplesmente não é um bom caminho para aproveitar a luz solar. Não por causa de tecnologias imaturas, mas por causa de uma restrição física fundamental, a ineficiência da fotossíntese," defende Geyer.

"Essa desvantagem fundamental só vai piorar conforme os veículos elétricos ficarem mais baratos e mais eficientes nos próximos anos. Há uma busca por uma 'bala de prata' nas pesquisas em energia, seja a fotossíntese artificial ou uma terceira geração de biocombustíveis. Mas se existe mesmo uma bala de prata, eu acho que é a energia fotovoltaica," concluiu.

Bibliografia:

Spatially-Explicit Life Cycle Assessment of Sun-to-Wheels Transportation Pathways in the U.S.
Roland Geyer, David Stoms, James Kallaos
Environmental Science & Technology
Vol.: 47 (2), pp 1170-1176
DOI: 10.1021/es302959h

Células solares ultrafinas poderão custar 90% menos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/02/2013

Os dois pesquisadores afirmam esperar que sua invenção chegue aos painéis solares nos próximos cinco anos, reduzindo seu preço a uma fração dos atuais. [Imagem: Yngve Vogt]

Silício ultrapuro

Pesquisadores noruegueses fabricaram um painel solar 20 vezes mais fino do que o tradicional, e com potencial para custar muito mais barato.

A dica é usar microgotas para fabricar estruturas na parte de trás das células solares.

Mais de 90% da eletricidade gerada por painéis solares usa células feitas de silício, que possuem cerca de 0,2 milímetro de espessura.

Pode parecer pouco, mas isso consome muito silício - cerca de 5 gramas por watt de eletricidade gerada.

O silício é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. Mas, para fabricar células solares, é necessário ter um silício 99,9999% puro - e fazer isso custa caro, o que explica o alto custo dessas células solares.

Aasmund Sudbo e Erik Marstein, da Universidade e Oslo, descobriram uma forma de consumir menos desse silício ultrapuro e, portanto, baixar o preço dos painéis solares.

Espessura das células solares

"Quanto mais finas forem as células solares, mais fácil será extrair a energia elétrica. Em princípio, teremos uma tensão maior e mais corrente em células solares mais finas," explica Marstein.

"Nós estamos desenvolvendo células solares que são pelo menos tão eficientes quanto as atuais, mas que podem ser fabricadas com apenas um vigésimo do silício. Isto significa que o consumo de silício poderá ser reduzido em 95%," esclarece ele.

O grande problema em afinar as células solares é que uma porção muito maior da luz do Sol vai passar direto, sem gerar eletricidade.

Os dois pesquisadores então inventaram uma forma de ludibriar a luz e fazê-la ficar mais tempo em sua célula solar ultrafina.

Ao lado de cada esfera, são feitas microrrecortes assimétricos, criando um padrão repetitivo que, segundo os pesquisadores, "faz a luz andar de lado". [Imagem: UIO/Apollon]

Luz que anda de lado

A técnica consiste em fabricar superfícies nanoestruturadas na parte posterior da célula, para domar a luz que atravessou o silício sem produzir corrente.

"Nós aumentamos a espessura aparente da célula em 25 vezes forçando a luz a ir para cima e para baixo o tempo todo," explicou o pesquisador.

Eles estão usando um material conhecido como microgotas de Uglestad, esferas plásticas muito pequenas, todas do mesmo tamanho, que criam um efeito descoberto pelo também norueguês John Ugelstad no século passado.

Ao lado de cada esfera, são feitas microrrecortes assimétricos, criando um padrão repetitivo que, segundo os pesquisadores, "faz a luz andar de lado", mantendo-a mais tempo na célula solar.

"Nós estamos agora estudando se este e outros métodos podem ser adaptados para produção em escala industrial. Temos muita fé nisso, e já estamos em discussões com vários parceiros industriais, mas ainda não podemos dar maiores detalhes," disse o Dr. Aasmund.

Tela holográfica chega às 12 polegadas de autêntico 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/02/2013

Embora ainda longe da resolução desejada, as imagens holográficas já são significativamente superiores às imagens geradas pelas primeiras TVs que chegaram ao mercado - que eram preto e branco.[Imagem: Xuewu Xu]

Resolução dos hologramas

Em 2010, cientistas de Cingapura apresentaram um algoritmo que permitiu pela primeira vez calcular rapidamente todas as informações necessárias para gerar um holograma.

Os resultados demonstraram que a renderização do holograma por computadores comuns pode se viável.

• Hologramas: imagens 3D realísticas estão chegando aos computadores

Agora, a equipe do Dr. Xuewu Xu deu um passo adicional, aumentando a resolução dos hologramas de forma a gerar imagens coloridas com detalhes razoavelmente bem definidos.

Pixels no espaço 3D

Enquanto aumentar a resolução das imagens em uma tela comum é uma questão de aumentar o número de pixels por área, na holografia é necessário um esforço adicional - a colocação dos pixels o mais próximo possível uns dos outros no espaço 3D.

No protótipo demonstrado em 2010, os pesquisadores projetaram imagens de 1,3 megapixel, usando pixels de 13,62 micrômetros.

Agora, eles já conseguem projetar hologramas 3D em cores com uma resolução de 189 x 378 megapixels, o que se traduz em imagens com uma área de 12,5 x 25 centímetros.

A área da imagem é o equivalente a uma tela plana de 12 polegadas, com a diferença de que a imagem pode ser vista de qualquer ângulo.

Moduladores espaciais de luz

O feito foi possível graças à utilização de moduladores espaciais de luz (SLM -spatial light modulator) integrados em um chip de silício.

Os 24 SLMs manipulam a luz de dois conjuntos de lasers RGB - cada conjunto possui um laser vermelho, um verde e um azul - usando cristais líquidos ferroelétricos.

As imagens são atualizadas a uma frequência de 60 Hz, evitando as piscadas típicas dos primeiros experimentos em holografia.

Desafios para a holografia

Apesar dos avanços, ainda há um longo caminho para que as telas holográficas cheguem ao mercado.

Enquanto o protótipo agora demonstrado produz imagens na faixa dos megapixels, o Dr. Xuewu Xu afirma que uma tela holográfica viável, com cerca de 20 polegadas, exigirá dezenas de terapixels, já que devem haver pixels para todo o espaço 3D da imagem.

A boa notícia é que ele não vê obstáculos à miniaturização do seu sistema de moduladores ópticos, o que deverá permitir ampliar continuamente a quantidade de pixels gerados.

"Outros obstáculos, como a largura de banda para transmissão de dados, a capacidade de armazenamento de dados e a velocidade de processamentos dos hologramas também precisarão ser superados para chegarmos à comercialização da tecnologia de telas holográficas 3D. Nosso trabalho futuro vai incluir a tentativa de solucionar alguns desses gargalos tecnológicos," explicou o pesquisador.

Processadores poderão alcançar velocidades PHz (petahertz)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/12/2012

"O material torna-se condutor tão logo um elevado pulso de luz é aplicada a ele, só que os dielétricos são 10.000 vezes mais rápidos do que os semicondutores."[Imagem: Thorsten Naeser/LMU]

Transistores de luz

Transistores controlados pela luz poderão atingir velocidades 10.000 vezes mais elevadas do que aqueles que compõem os atuaisprocessadores de computador.

A grande novidade, porém, é que esses transistores não serão feitos de materiais semicondutores, mas de materiais isolantes, ou dielétricos.

Enquanto os processadores mais modernos funcionam a cerca de 3 GHz, um transistor isolado pode atingir 100 GHz.

Pesquisadores do Instituto Max Planck, na Alemanha, demonstraram agora que é possível atingir uma velocidade 10.000 vezes superior, saltando o tera e indo direto para os PHz, ou petahertz (10¹⁵ Hz).

Transístor dielétrico

Os pesquisadores demonstraram que é possível induzir correntes elétricas em materiais normalmente isolantes, e que essas correntes podem ser revertidas em 1 femtossegundo (10^-15 segundo).

Isso abre o caminho para a construção de transistores cujos ciclos se deem nessa mesma escala temporal, o que resultará em velocidades na faixa dos petahertz.

"Agora podemos fundamentalmente ter um dispositivo que funciona 10 mil vezes mais rápido do que um transistor que pode rodar a 100 gigahertz," disse o professor Mark Stockman, membro da equipe.

"Este é um efeito de campo, do mesmo tipo que controla um transistor. O material torna-se condutor tão logo um elevado pulso de luz é aplicada a ele, só que os dielétricos são 10.000 vezes mais rápidos do que os semicondutores," completou.

Metais, semicondutores e isolantes

Tudo ocorre em um material tipicamente isolante.

Do ponto de vista de suas propriedades elétricas, os materiais podem ser divididos em três grupos.

Os metais têm portadoras de cargas - isto é, elétrons - livres em quaisquer circunstâncias, o que significa que eles são condutores elétricos mesmo para correntes muito baixas.

Já os semicondutores são mais ranzinzas, e só transmitem eletricidade depois de receberem um empurrão inicial, que vença a sua bandgap, a diferença de energia entre a banda de condução e a banda de valência.

É isto que permite que os semicondutores operem bem como transistores, chaveando do estado condutor (1) para não-condutor (0) - eles atualmente fazem isto em velocidades muito altas, ao redor de alguns bilhões de vezes por segundo, ou seja, alguns gigahertz.

No terceiro grupo estão os dielétricos, ou isolantes, nos quais os elétrons são relativamente imóveis. Quando se tenta forçar a barra, aplicando correntes altas demais, elas são destruídos.

"Nosso trabalho demonstra como técnicas de fotônica estado-da-arte podem ajudar a explorar formas de avançar as fronteiras do processamento de informações." [Imagem: Christian Hackenberger/LMU]

Chaveamento dielétrico

Recentemente um grupo de pesquisadores construiu um transistor que evita a deterioração da sua camada isolante, o que o torna muito promissor:

• Transistor 4D coloca processadores além do silício

Mas os pesquisadores alemães foram mais rápidos: eles descobriram que os materiais dielétricos transmitem bem uma corrente, sem se deteriorar, desde que a tensão ultraforte seja aplicada muito rapidamente.

Usando um pulso de laser visível ou infravermelho próximo, eles elevaram a tensão a mais de 10 bilhões de volts em poucos femtossegundos.

Com isso, o normalmente não-condutor dielétrico passa a condutor, e depois retorna a seu estado normal, com uma velocidade imbatível pela tecnologia atual de semicondutores.

Na prática, isso significa que os dielétricos podem ser vistos como um tipo especial de semicondutor, cuja bandgap é extremamente elevada.

Acelerando a eletrônica

"Nosso trabalho demonstra como técnicas de fotônica estado-da-arte podem ajudar a explorar formas de avançar as fronteiras do processamento de informações," disse Agustin Schiffrin, principal autor da descoberta.

"Esperamos que estes resultados tragam a motivação para outros grupos de todo o mundo juntarem-se a nós na exploração e no aproveitamento dos potenciais que os materiais [dielétricos] podem oferecer para acelerar a eletrônica," completou.

Bibliografia:

Optical-field-induced current in dielectrics
Agustin Schiffrin, Tim Paasch-Colberg, Nicholas Karpowicz, Vadym Apalkov, Daniel Gerster, Sascha Mühlbrandt, Michael Korbman, Joachim Reichert, Martin Schultze, Simon Holzner, Johannes V. Barth, Reinhard Kienberger, Ralph Ernstorfer, Vladislav S. Yakovlev, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz
Nature
Vol.: Advanced Online Publication
DOI: 10.1038/nature11567

Controlling dielectrics with the electric field of light
Martin Schultze, Elisabeth M. Bothschafter, Annkatrin Sommer, Simon Holzner, Wolfgang Schweinberger, Markus Fiess, Michael Hofstetter, Reinhard Kienberger, Vadym Apalkov, Vladislav S. Yakovlev, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz
Nature
Vol.: Advanced Online Publication
DOI: 10.1038/nature11720