Immagina di essere in grado di generare elettricità sfruttando l’umidità nell’aria intorno a te, utilizzando solo oggetti di uso quotidiano come il sale marino e un pezzo di tessuto, o persino poter alimentare l’elettronica di tutti i giorni con una batteria atossica sottile come la carta.
Il team di ricercatori del College of Design and Engineering (CDE) dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) ha sviluppato un nuovo dispositivo per la generazione di elettricità basata sull’umidità (MEG) costituito da un sottile strato di tessuto – circa 0,3 millimetri (mm) di spessore – sale marino, inchiostro carbone e uno speciale gel idroassorbente.
Il concetto di dispositivi MEG si basa sulla capacità di diversi materiali di generare elettricità dall’interazione con l’umidità nell’aria, questo settore sta ricevendo un interesse crescente grazie al suo potenziale per un’ampia gamma di applicazioni del mondo reale, inclusi dispositivi elettronici indossabili autoalimentati come monitor sanitari, sensori elettronici della pelle e dispositivi di archiviazione delle informazioni.
Le sfide principali delle attuali tecnologie MEG includono la saturazione d’acqua del dispositivo quando esposto all’umidità ambientale e prestazioni elettriche insoddisfacenti, pertanto, l’elettricità generata dai dispositivi MEG convenzionali è insufficiente per alimentare i dispositivi elettrici e non è nemmeno sostenibile.
Il team di ricerca guidato da Tan Swee Ching del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali nell’ambito del CDE, per superare queste sfide, per generare elettricità e consentire una produzione di energia elettrica per centinaia di ore, ha ideato un nuovo dispositivo MEG, contiene due differenti aree proprietarie per mantenere perennemente tra le aree una differenza nel contenuto d’acqua.
Lo studio della svolta tecnologica è stato pubblicato nella rivista scientifica Advanced Materials il 26 maggio 2022.
“Batteria” a base di tessuto autocaricante e di lunga durata
Il dispositivo per la generazione di elettricità basata sull’umidità (MEG) del team di ricerca del College of Design and Engineering (CDE) dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) è costituito da un sottile strato di tessuto rivestito con nanoparticelle di carbonio.
Il team di ricercatori nel loro studio ha utilizzato un tessuto disponibile in commercio fatto di pasta di legno e poliestere. L’area del tessuto rivestita con idrogel ionico igroscopico è nota come zona umida. Lo speciale gel che assorbe l’acqua, realizzato con sale marino, può assorbire più di sei volte il suo peso originale, viene utilizzato per raccogliere l’umidità dall’aria.
Tan Swee Ching ha detto:
«Il sale marino è stato scelto come composto che assorbe l’acqua grazie alle sue proprietà non tossiche e al suo potenziale di fornire un’opzione sostenibile per gli impianti di desalinizzazione per smaltire il sale marino e la salamoia generati».
L’altra estremità del tessuto è la zona asciutta, non contiene uno strato di idrogel ionico igroscopico, questo per garantire che questa zona sia mantenuta asciutta e l’acqua sia confinata nella parte umida.
È stato evidenziato che il dispositivo MEG dopo essere stato assemblato, genera elettricità quando gli ioni del sale marino vengono separati mentre l’acqua è assorbita nella zona umida. Gli ioni liberi con carica positiva (cationi) vengono assorbiti dalle nanoparticelle di carbonio che sono caricate negativamente. Ciò provoca cambiamenti sulla superficie del tessuto, generando un campo elettrico attraverso di esso, queste modifiche alla superficie conferiscono anche al tessuto la capacità di immagazzinare elettricità per un uso successivo.
I ricercatori del NUS utilizzando un design unico delle zone umido-secche, sono stati in grado di mantenere un elevato contenuto d’acqua nella zona umida e un contenuto d’acqua basso nella zona secca. Ciò sosterrà la produzione elettrica anche quando la zona umida è satura di acqua. L’acqua dopo essere stata lasciata in un ambiente umido aperto per 30 giorni, è stata ancora mantenuta nella zona umida, dimostrando l’efficacia del dispositivo nel sostenere la produzione elettrica.
Tan Swee Ching ha detto:
«Le prestazioni elettriche del nostro dispositivo MEG con questa struttura asimmetrica unica, sono notevolmente migliorate rispetto alle precedenti tecnologie MEG, rendendo così possibile alimentare molti dispositivi elettronici comuni, come monitor sanitari ed elettronica indossabile».
Il dispositivo MEG del team di ricercatori ha anche dimostrato un’elevata flessibilità ed è stato in grado di resistere alle sollecitazioni dovute a torsioni, rotolamenti e piegamenti. È interessante notare che la sua eccezionale flessibilità è stata dimostrata dai ricercatori piegando il tessuto in una forma origami che non ha influito sulle prestazioni elettriche complessive del dispositivo (vedi video).
Alimentatore portatile e altro ancora
Il dispositivo MEG ha applicazioni immediate grazie alla sua facilità di scalabilità e alle materie prime disponibili in commercio, una delle applicazioni più immediate è l’uso come fonte di alimentazione portatile per l’alimentazione elettronica mobile direttamente dall’umidità ambientale.
Zhang Yaoxin, membro del team di ricerca, ha detto:
«Dopo l’assorbimento d’acqua, un pezzo di tessuto che genera energia delle dimensioni di 1,5 x 2 centimetri può fornire fino a 0,7 volt (V) di elettricità per oltre 150 ore in un ambiente costante».
Il team di ricerca del College of Design and Engineering (CDE) dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) ha anche dimostrato con successo la scalabilità del suo nuovo dispositivo nella generazione di elettricità per diverse applicazioni, ha collegato insieme tre pezzi del tessuto che genera energia e li ha inseriti in una custodia stampata in 3D delle dimensioni di una batteria AA standard. La tensione del dispositivo assemblato è stata testata per raggiungere un massimo di 1,96 V, superiore a una batteria AA commerciale di circa 1,5 V, che è sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici come una sveglia.
La scalabilità dell’invenzione NUS, la comodità di ottenere materie prime disponibili in commercio nonché il basso costo di fabbricazione di circa 0,15 dollari per metro quadrato, rendono il dispositivo MEG adatto alla produzione di massa.
Tan Swee Ching in conclusione ha detto:
«Il nostro dispositivo mostra un’eccellente scalabilità a un basso costo di fabbricazione. Rispetto ad altre strutture e dispositivi MEG, la nostra invenzione è più semplice e facile per aumentare le integrazioni e le connessioni. Riteniamo che sia molto promettente per la commercializzazione».
I ricercatori hanno depositato un brevetto per la tecnologia, stanno pianificando di esplorare potenziali strategie di commercializzazione per applicazioni nel mondo reale.
