Processadores vão converter calor em eletricidade

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Esquema do nanogerador termoelétrico de silício, embutido dentro do chip.
[Imagem: Gangyi Hu et al. - 10.1038/s41928-019-0271-9]

Calor que vira eletricidade

A ideia de usar o inconveniente calor dos processadores de computador para gerar eletricidade que possa ser utilizada pelo próprio equipamento não é nova.

Contudo, embora os materiais termoelétricos venham batendo recordes na reciclagem de energia, eles não são adequados para utilização dentro de um chip.

Por isso, Gangyi Hu juntou-se a colegas da Universidade do Texas e da empresa Texas Instruments para desenvolver uma maneira para que a própria eletrônica de silício converta o calor residual em energia reutilizável.

Eles descobriram que criar nanolâminas na superfície do silício permite coletar energia termoelétrica a uma taxa muito maior do que era possível até agora, e isso mantendo o processo produtivo industrial usado para a fabricação dos circuitos integrados.

Isso pode mudar a maneira como os circuitos são resfriados na eletrônica, além de fornecer um método para alimentar os sensores usados na internet das coisas.

Silício termoelétrico

"De um modo geral, o calor residual está em toda parte: o calor que o motor do seu carro gera, por exemplo. Esse calor normalmente se dissipa. Se você tem uma diferença de temperatura constante - mesmo que pequena -, pode colher um pouco de calor [e convertê-lo] na eletricidade que precisa para alimentar seus componentes eletrônicos," disse o professor Mark Lee, membro da equipe.


Estação eletrônica a vácuo usada para testar os circuitos termoelétricos, com um chip que converte o próprio calor em eletricidade visível no centro.
[Imagem: UTDallas]

Isso não tem sido feito em larga escala porque os materiais termoelétricos dependem de materiais exóticos, que são raros e caros, ou tóxicos - ou as duas coisas juntas. Daí o interesse em explorar a capacidade termoelétrica do silício, que é o segundo elemento mais abundante na Terra.

Há alguns anos, os pesquisadores descobriram que o silício pode transformar calor em eletricidade com grande eficiência quando posto na forma de nanofios, filamentos com menos de 100 nanômetros de comprimento.

Como ninguém conseguiu compatibilizar os nanofios com o processo industrial de fabricação da microeletrônica, Hu e seus colegas se voltaram para as nanolâminas, que têm apenas 80 nanômetros de espessura, mas podem ter até oito vezes mais em largura. Embora ainda sejam muito finas, essa dimensão é compatível com as técnicas de fabricação dos chips.

Reciclagem de calor

A parceira com a Texas permitiu que a equipe fabricasse grandes lotes dos coletores de energia termoelétrica para aferir sua eficiência. Há perdas em relação aos materiais mais exóticos, mas o menor custo e a integração mais do que compensam essa menor eficiência.

"Você pode conviver com uma redução de 40% na capacidade termoelétrica em relação aos materiais exóticos porque seu custo por watt gerado despenca. O custo marginal é menor por um fator de 100," disse Lee.

A equipe está projetando agora seus próximos lotes de fabricação, que deverão incluir um processador com um sensor no mesmo chip, amplificadores e um rádio usado em comunicações sem fio, visando aplicações na internet das coisas.

Bibliografia:

Artigo: Silicon integrated circuit thermoelectric generators with a high specific power generation capacity
Autores: Gangyi Hu, Hal Edwards, Mark Lee
Revista: Nature Electronics
Vol.: 2, pages 300-306
DOI: 10.1038/s41928-019-0271-9

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