Frigoriferi, caldaie e persino lampadine scaricano continuamente calore nell’ambiente circostante, questo “calore di scarto” potrebbe, in teoria, essere trasformato in elettricità, come a volte si fa con le centrali elettriche, i motori delle automobili e altre fonti di calore elevato. Il problema: queste sorgenti di “bassa qualità” emettono troppo poco calore perché la tecnologia attuale possa eseguire bene la conversione.
I ricercatori recentemente hanno creato un dispositivo che utilizza i liquidi per convertire in modo efficiente il calore di bassa qualità in elettricità. Il progresso potrebbe un giorno alimentare dispositivi che consumano energia in grado di accendere sensori e luci e persino caricare le batterie.
Gli scienziati sanno da quasi 200 anni che alcuni materiali possono convertire il calore in elettricità e sono in fase di studio per l’utilizzo nella fornitura di elettricità extra per i veicoli ibridi, questo lavoro è svolto da semiconduttori specializzati chiamati materiali termoelettrici che vengono 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 collegamento di più chip di questo tipo consente agli ingegneri di generare una costante corrente elettrica.
La chiave per la conversione al fine di mantenere una differenza di temperatura tra i due lati è trovare materiali che siano bravi a condurre gli elettroni, ma non il calore; quelli esistenti sono costosi e funzionano meglio quando il lato caldo e freddo hanno una differenza di temperatura di centinaia di gradi centigradi, sono quasi inutili per le fonti di calore di bassa qualità come i frigoriferi.
Jun Zhou fisico dei materiali insieme ai suoi colleghi dell’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong, per superare questo problema si sono rivolti alle termocellule, questi dispositivi utilizzano materiali liquidi anziché solidi per condurre le cariche da un lato caldo a un lato freddo. Lo fanno non mescolando elettroni, ma spostando molecole cariche o ioni.
Le termocellule sono buone nel convertire piccole differenze di temperatura in elettricità, ma in genere producono solo piccole correnti, 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.
Jun Zhou e colleghi hanno iniziato con una piccola termocellula: una camera delle dimensioni di una tessera del 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.
Le ricerche passate hanno dimostrato che gli ioni ferricianuro accanto ad un elettrodo caldo cedono spontaneamente un elettrone, passando da uno con carica -4, o Fe(CN)6 -4, ad un ferricianuro con carica -3, o Fe(CN)6 –3. Gli elettroni viaggiano poi attraverso un circuito esterno fino all’elettrodo freddo, alimentando piccoli dispositivi lungo il percorso. Gli elettroni una volta raggiunto l’elettrodo freddo, si combinano con gli ioni Fe(CN)6 -3 che si diffondono dal basso verso l’alto, questo rigenera gli ioni Fe(CN)6 -4, che poi si diffondono nuovamente verso il basso fino all’elettrodo caldo e ripetono il ciclo.
Jun Zhou e colleghi per ridurre il calore trasportato da questi ioni in movimento, hanno corretto il loro ferricianuro con un composto organico a carica positiva chiamato guanidinio. Il guanidinio all’elettrodo freddo fa cristallizzare gli ioni freddi Fe(CN)6 -4 in minuscole particelle solide. Le particelle solide poiché hanno una conduttività termica inferiore a quella dei liquidi, bloccano parte del calore che viaggia dal caldo all’elettrodo freddo. La gravità attira quindi questi cristalli verso l’elettrodo caldo, dove il calore extra trasforma i cristalli di nuovo in un liquido.
Jun Zhou ha detto:
«Questo è molto intelligente poiché le particelle solide hanno aiutato a mantenere il gradiente di temperatura tra i due elettrodi».
Jun Zhou e colleghi come riportato nel documento pubblicato nella rivista Science, hanno detto:
«Il test del dispositivo ha funzionato. La termocellula ha generato una potenza cinque volte maggiore per la stessa area dell’elettrodo rispetto alle versioni precedenti. Ha anche più che raddoppiato l’efficienza necessaria per realizzare un dispositivo commerciale valido, praticamente un modulo tascabile di 20 termocellule è in grado di far funzionare luci a LED, alimentare una ventola e ricaricare un telefono cellulare».
Gang Chen, ingegnere meccanico del Massachusetts Institute of Technology, non coinvolto nella ricerca ha detto:
«Ciò dimostra che è possibile migliorare le prestazioni di questi dispositivi a un livello molto apprezzabile. Resta da vedere se questo sarà abbastanza buono da rendere la tecnologia commercialmente vantaggiosa. Il calore residuo di bassa qualità è ovunque, ma raccoglierlo costa denaro».
Il passo successivo per l’alimentazione dei dispositivi del mondo reale è quello di aggiungere altri materiali poco costosi che assorbano quanto più calore di scarto possibile dalle fonti desiderate, escludendo il resto dell’ambiente circostante, un compito su cui Jun Zhou e il suo team sta già lavorando, quando ciò accadrà, potremmo presto essere in grado di alimentare ogni sorta di piccoli gadget con il calore che ci circonda.