Gli scienziati sanno da quasi 200 anni che alcuni materiali possono convertire il calore di scarto in elettricità e sono in fase di studio per l’utilizzo nella fornitura di elettricità extra per i veicoli ibridi.
Frigoriferi, caldaie e persino lampadine scaricano continuamente calore nell’ambiente circostante. Questo “calore di scarto” potrebbe, in teoria, essere trasformato in elettricità, come talvolta avviene con le centrali elettriche, i motori delle automobili e altre fonti ad alto calore.
Il problema tuttavia è uno, grande: queste sorgenti di “bassa qualità” infatti emettono troppo poco calore perché la tecnologia attuale possa eseguire bene la conversione.
Ora, i ricercatori hanno creato un dispositivo che utilizza i liquidi per convertire il calore di scarto –in modo efficiente– in elettricità. Il progresso potrebbe un giorno alimentare dispositivi che consumano energia in grado di accendere sensori e luci e persino caricare le batterie.
Questo lavoro viene svolto da semiconduttori specializzati chiamati materiali termoelettrici che sono modellati in piccoli dispositivi delle dimensioni di chip di computer. Quando un lato di un termoelettrico è più caldo dell’altro, il calore e gli elettroni si spostano dal lato caldo a quello freddo. Il cablaggio di più chip di questo tipo consente agli ingegneri di generare una corrente elettrica costante.
Proprio riguardo a questo processo, Ping Liu, un nanoingegnere presso l’Università della California (San Diego), che non è stato coinvolto nello studio afferma:
“Questo è un bel lavoro e un’idea molto intelligente”
La chiave per convertire il calore di scarto è trovare materiali che siano bravi a condurre gli elettroni, ma non il calore, al fine di mantenere una differenza di temperatura tra i due lati.
Quelle esistenti sono costose e funzionano meglio quando i lati caldo e freddo hanno una differenza di temperatura di centinaia di gradi Celsius e, per le fonti di calore di bassa qualità come i frigoriferi, sono quasi inutili, pertanto non sarebbero in grado di convertire il calore di scarto in energia elettrica.
Per superare questo problema, il fisico dei materiali Jun Zhou e dei colleghi dell’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong si sono rivolti alle termocellule.
Convertire il calore di scarto con le termocellule, ma come?
Questi dispositivi utilizzano materiali liquidi anziché solidi per condurre le cariche da un lato caldo a un lato freddo e quindi andando poi a convertire il calore di scarto. Il processo non avviene mescolando elettroni, ma spostando molecole cariche o ioni.
Le termocellule sono adatte a convertire piccole differenze di temperatura in elettricità, ma in genere producono solo piccole correnti e ciò è in parte dovuto al fatto che gli ioni sono più lenti degli elettroni.
Gli ioni trasportano anche calore attraverso il materiale (a differenza degli elettroni), riducendo la differenza di temperatura tra i due lati e abbassando l’efficienza di conversione energetica.
Zhou e colleghi hanno iniziato con una piccola termocellula: una camera delle dimensioni di un domino con elettrodi in alto e in basso. L’elettrodo inferiore si trovava su una piastra calda e l’elettrodo superiore confinava con un dispositivo di raffreddamento, mantenendo una differenza di temperatura di 50° C tra i due elettrodi, hanno quindi riempito la camera con un liquido a carica ionica chiamato ferricianuro.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli ioni ferricianuro accanto a un elettrodo caldo cedono spontaneamente un elettrone, passando da uno con carica –4, o Fe (CN) 6-4, a un ferricianuro con carica –3, o Fe (CN) 6–3. Gli elettroni viaggiano quindi attraverso un circuito esterno verso l’elettrodo freddo, alimentando piccoli dispositivi lungo il percorso.
Una volta raggiunto l’elettrodo freddo, gli elettroni si combinano con gli ioni Fe (CN) 6-3 che si sono diffusi dal basso e questo rigenera gli ioni Fe (CN) 6-4, che poi si diffondono di nuovo verso l’elettrodo caldo e ripete il ciclo.
Per ridurre il calore trasportato da questi ioni in movimento, Zhou ei suoi colleghi hanno aggiunto al loro ferricianuro un composto organico caricato positivamente chiamato guanidinio. All’elettrodo freddo, il guanidinio fa cristallizzare gli ioni Fe (CN) 6-4 freddi in minuscole particelle solide e, poiché le particelle solide hanno una conduttività termica inferiore rispetto ai liquidi, bloccano parte del calore che viaggia dall’elettrodo caldo a quello freddo.
La gravità quindi attira questi cristalli verso l’elettrodo caldo, dove il calore extra trasforma i cristalli in un liquido. Sembrerebbe inoltre che il thermocell abbia generato cinque volte più energia per la stessa area dell’elettrodo rispetto alle versioni precedenti, almeno secondo quanto affermato da Zhou e i suoi colleghi su Science.
Inoltre, ha più che raddoppiato l’efficienza necessaria per realizzare un dispositivo commerciale praticabile che riesca a convertire il calore di scarto. Un modulo in formato libro tascabile di 20 termocellule, potrebbe far funzionare luci a LED, alimentare un ventilatore e caricare un telefono cellulare, ha scoperto il team.
Gang Chen, un ingegnere meccanico presso il Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nella ricerca, afferma:
“Questo dimostra che è possibile migliorare le prestazioni di questi dispositivi a un livello molto rispettabile. […] il calore di scarto di bassa qualità è ovunque, ma incassarlo costa denaro “.
Resta da vedere se sarà abbastanza buono da rendere la tecnologia un successo commerciale
Il passo successivo per alimentare i dispositivi del mondo reale con mezzi che possano convertire l’energia di scarto, consiste nell’aggiungere altri materiali poco costosi che assorbono il più possibile il calore di scarto dalle fonti desiderate escludendo il resto dell’ambiente ambientale, dice Chen, un compito su cui Zhou dice che il suo team sta già lavorando .
Quando ciò accadrà, presto potremmo essere in grado di alimentare tutti i tipi di piccoli gadget in grado di convertire il calore di scarto che è tutto intorno a noi, andando a ridurre considerevolmente l’impatto ambientale.
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