Um dispositivo assim, se alimentado por uma fonte de radioisótopos, que produz calor constantemente pelo decaimento radioativo, poderia gerar eletricidade por 30 anos sem reabastecimento ou manutenção - uma fonte de eletricidade ideal para naves espaciais em missões a longas distâncias do Sol, que não podem ser alimentadas por painéis solares.
Cerca de 92 por cento de toda a energia que usamos envolve a conversão de calor em energia mecânica e, frequentemente em eletricidade - como o uso de combustível para ferver água e gerar vapor para girar uma turbina, que é acoplada a um gerador.
Mas os sistemas mecânicos atuais têm uma eficiência relativamente baixa, e não podem ser reduzidos para os tamanhos necessários para alimentar dispositivos pequenos, como sensores, telefones celulares ou monitores médicos.
"Ser capaz de converter calor de diversas fontes em eletricidade, sem partes móveis, pode trazer enormes benefícios," afirma o Dr. Ivan Celanovic, coordenador da pesquisa, "especialmente se pudermos fazê-lo de forma eficiente, relativamente barato e em pequena escala."
Meio século atrás, os pesquisadores desenvolveram as células termofotovoltaicas, que juntam uma célula fotovoltaica tradicional com qualquer fonte de calor: um derivado do petróleo, por exemplo, aquece um material, chamado de emissor térmico, que irradia calor e luz para o diodo fotovoltaico, gerando eletricidade.
O emissor termal de radiação gera muito mais comprimentos de onda na faixa do infravermelho do que aqueles que ocorrem no espectro solar.
E materiais fotovoltaicos de baixa bandgap, descobertos menos de uma década atrás, conseguem absorver mais dessa radiação infravermelha do que as células fotovoltaicas tradicionais de silício.
Mas grande parte do calor ainda é desperdiçado, o que tem mantido a eficiência dos geradores termofotovoltaicos relativamente baixa.
A solução, explica Celanovic, é a concepção de um emissor térmico que irradia somente os comprimentos de onda que o diodo fotovoltaico pode absorver e converter em eletricidade, suprimindo outros comprimentos de onda.
"Mas como é que vamos encontrar um material que tenha essa propriedade mágica de emitir apenas com os comprimentos de onda que queremos?" pergunta Marin Soljacic, membro da equipe.
A resposta: construa um cristal fotônico pegando uma amostra de material e crie algumas características em nanoescala em sua superfície - digamos, um padrão regular e repetitivo de buracos ou saliências - para que a luz se propague através da amostra de uma forma radicalmente diferente.
"Projetando adequadamente a nanoestrutura, podemos criar materiais que têm propriedades ópticas inéditas," diz Soljacic. "Isso nos dá a capacidade de controlar e manipular o comportamento da luz."