Conversão direta da energia
(Parte4 - Conversão Termiônica)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Como 'ferver' os elétrons de um metal
De mesmo fundamento que o elemento termelétrico, o conversor termiônico é também uma máquina térmica. Em sua forma mais simples consiste de duas placas metálicas muito próxima uma da outra recordando os diodos de antigas válvulas termiônicas de rádio. Enquanto nos elementos termelétricos o funcionamento se dá quando o calor fornecido desloca tanto elétrons livres como 'buracos' dos semicondutores para a carga externa, a característica fundamental do diodo termiônico é a emissão termiônica (efeito Edson, descoberto por Thomas Edson em 1883) ou, simplesmente, a "ebulição" de elétrons em uma superfície metálica quente. O conversor termiônico da fig. 7 põe em funcionamento um pequeno motor CC quando aquecido pela chama de um bico de Bunsen.

Fig. 7- Conversor termiônico a vácuo, em funcionamento.

Já sabemos que os metais têm abundância de elétrons livres que se deslocam por toda a estrutura metálica (nuvem eletrônica). É muito fácil provocar um deslocamento 'orientado' desses elétrons livres dentro do metal através da aplicação de um conveniente campo magnético, porém, resulta muito mais difícil faze-los 'ferver' de modo que escapem para o exterior. Para conseguir isso teremos que dispor de energia com o propósito de anular (minimizar) os campos elétricos criados pela capa superficial de átomos do metal, os quais apresentam ligações não saturadas  na parte voltada para o espaço exterior.

A energia necessária para liberar completamente um elétron da superfície recebe o nome de função de trabalho do metal (para alguns autores, trabalho de extração). Por exemplo, no caso do tungstênio a função de trabalho tem o valor aproximado de 4,5 elétrons-volt (4,5 eV). Para relembrar, 1 eV é a energia adquirida por um elétron quando se o acelera através de uma d.d.p. de 1 V; equivale a 1,6.10^-19 J.

A medida que se eleva a temperatura do metal, os elétrons de valência do mesmo vão também aumentando sua temperatura (amplitude de sua agitação térmica caótica) e sua velocidade (energia térmica). Podemos imaginar como uma espécie de 'gás eletrônico'. Alguns elétrons alcançam tal velocidade que permite seu escape da superfície do metal. Temos algo bem parecido com isso em nossa alta atmosfera, onde partículas gasosas conseguem escapar da atração gravitacional. Para os elétrons no metal, isso ocorre quando sua energia cinética é maior que a função de trabalho do metal.

Uma vez que foi encontrada uma técnica para extrair os elétrons de um metal, valeria a pena obriga-los a realizar algum trabalho útil. Afinal, consumiu-se energia para conseguir isso! Para isso, teremos que empurra-los no espaço entre as placas do 'diodo' e criar uma d.d.p. que dê origem a uma corrente elétrica. Que bela e iluminante concatenação nos oferece a Ciência. Já imaginou explicar e desenvolver tudo isso na base do misticismo? Ou na base da tal 'cultura milenar'?

Redução da carga espacial
Os elétrons liberados do metal, que se encontram entre as placas metálicas (reporte-se à fig. 8b), formam uma nuvem de cargas negativas que rechaçarão para a placa emissora os novos elétrons emitidos, a não ser que se tomem as devidas providências para contrapor-se a esse efeito que recebe a denominação de carga-espacial.

Fig. 8- Em (b), T_h = T₂ é a temperatura da fonte quente (emissor) e T_c = T₁ a temperatura da fonte fria (coletor). O melhor desempenho forneceria: h = 1 - T₁/T₂.

Para isso, preenche-se o espaço entre as placas com um gás que contenha partículas com carga positiva (íons). Estas se misturam com os elétrons e neutralizam suas cargas. A mistura de partículas com cargas positivas e negativas recebe o nome de plasma. A presença do plasma converte o gás em um bom condutor. Os elétrons emitidos podem, agora, deslocarem-se com facilidade até o coletor onde, para continuar com a analogia do 'gás eletrônico', se condensam na superfície mais fria.

Resultado: um termopar de plasma
Não poderemos conseguir trabalho externo sem uma d.d.p. entre as placas. No termopar, a d.d.p. provinha das distintas propriedades elétricas dos semicondutores P e N. Como no conversor termiônico tanto o coletor como o emissor são bons condutores metálicos o problema deve ser resolvido por outros métodos.
O 'segredo' consiste em utilizar um emissor e um coletor que tenham funções de trabalho diferentes. Se são necessários 4,5 eV para extrair um elétron da superfície do tungstênio e se esse elétron devolve 3,5 eV ao 'condensar-se' sobre um coletor com uma função de trabalho menor, é evidente que existirá uma d.d.p. de 1 V entre emissor e coletor.

Resumindo: a emissão termiônica de elétrons cria a possibilidade de que se produza uma corrente elétrica. Se são empregados elementos com funções de trabalho diferentes, o conversor termiônico se transforma em um gerador de energia elétrica.

Vamos fazer uma comparação interessante que ajudará a descrever o fenômeno. Suponha que o emissor seja a superfície do oceano e o coletor um lago localizado numa cadeia de montanhas. A máquina térmica atmosférica evapora a água do oceano e a transporta até as alturas mais frias das montanhas, onde se condensa sob a forma de chuva, acabando por reunir-se no lago. Quando a água do lago desce até o nível do mar poderá mover uma turbina hidráulica com sua energia cinética adquirida em sua descida.
O conversor termiônico se comporta de modo análogo: um emissor quente (que corresponde ao oceano aquecido pelo sol); um coletor mais frio (o lago); um gás eletrônico (a água); uma diferença de potencial (gravitacional). Sem o efeito da gravidade os rios não correriam e seria impossível produzir energia elétrica.

Energia termiônica no espaço ultraterrestre
Os conversores termiônicos destinados ao espaço ultraterrestres podem receber calor do sol, da desintegração de isótopos radioativos ou de um reator nuclear de fissão. Também podem tomar a forma de cilindros concêntricos (como na fig. 8a) em cujo interior vão os elementos combustíveis de urânio de um reator nuclear. Neste caso o calor não aproveitado serão transportados do reator até um radiador em separado mediante uma corrente de metal em estado líquido. Nesse espaço ultraterrestre o calor não aproveitado é eliminado por radiação, sendo sua 'velocidade de eliminação' proporcional à quarta potência de T₁ = T_c (Lei de Stefan-Boltzmann).

Como os conversores termiônicos podem funcionar a temperaturas bem mais elevadas que os pares termelétricos ou os geradores dinâmicos, a temperatura do radiador T₁, também será elevada. Em conseqüência, os geradores de energia espaciais que utilizem-se de tais conversores levarão radiadores de pequeno tamanho. O lento progresso na tecnologia sobre tais conversores continua e, a menos que alguém descubra algo bem melhor, sempre continuará. Isso é Ciência.

Segue: Conversão Direta - Parte 5 : Conversão Magnetohidrodinâmica (MHD)