dispositivi termoelettrici, che può generare energia quando un lato del dispositivo ha una temperatura diversa dall'altro, sono stati oggetto di molte ricerche negli ultimi anni. Ora, un team del MIT ha escogitato un nuovo modo per convertire le fluttuazioni di temperatura in energia elettrica. Invece di richiedere due diversi ingressi di temperatura contemporaneamente, il nuovo sistema sfrutta gli sbalzi di temperatura ambiente che si verificano durante il ciclo giorno-notte.

Il nuovo sistema, chiamato risonatore termico, potrebbe consentire il continuo, anni di funzionamento dei sistemi di telerilevamento, Per esempio, senza richiedere altre fonti di alimentazione o batterie, dicono i ricercatori.

I risultati vengono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo dello studente laureato Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs Professore di ingegneria chimica Michael Strano, e altri sette nel Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT.

"Fondamentalmente abbiamo inventato questo concetto completamente, " Dice Strano. "Abbiamo costruito il primo risonatore termico. È qualcosa che può stare su una scrivania e generare energia da ciò che sembra niente. Siamo circondati da fluttuazioni di temperatura di tutte le diverse frequenze per tutto il tempo. Sono una fonte di energia non sfruttata".

Mentre i livelli di potenza generati dal nuovo sistema finora sono modesti, il vantaggio del risonatore termico è che non necessita di luce solare diretta; genera energia dalle variazioni di temperatura ambiente, anche all'ombra. Ciò significa che non è influenzato dai cambiamenti a breve termine nella copertura nuvolosa, condizioni del vento, o altre condizioni ambientali, e può essere posizionato ovunque sia conveniente, anche sotto un pannello solare, nell'ombra perpetua, dove potrebbe persino consentire al pannello solare di essere più efficiente sottraendo calore di scarto, dicono i ricercatori.

È stato dimostrato che il risonatore termico ha prestazioni superiori a uno di dimensioni identiche, materiale piroelettrico commerciale - un metodo consolidato per convertire le fluttuazioni di temperatura in elettricità - per un fattore superiore a tre in termini di potenza per area, secondo Cottrill.

I ricercatori si sono resi conto che per produrre energia dai cicli di temperatura, avevano bisogno di un materiale ottimizzato per una caratteristica poco conosciuta chiamata effusività termica, una proprietà che descrive la facilità con cui il materiale può assorbire calore dall'ambiente circostante o rilasciarlo. L'effusività termica combina le proprietà di conduzione termica (quanto rapidamente il calore può propagarsi attraverso un materiale) e capacità termica (quanto calore può essere immagazzinato in un dato volume di materiale). Nella maggior parte dei materiali, se una di queste proprietà è elevata, l'altro tende ad essere basso. Ceramica, Per esempio, hanno elevata capacità termica ma bassa conduzione.

Per aggirare questo, il team ha creato una combinazione di materiali accuratamente su misura. La struttura di base è una schiuma metallica, in rame o nichel, che viene poi rivestito con uno strato di grafene per fornire una conduttività termica ancora maggiore. Quindi, la schiuma è infusa con una specie di cera chiamata ottadecano, un materiale a cambiamento di fase, che cambia tra solido e liquido entro un particolare intervallo di temperature scelto per una data applicazione.

Un campione del materiale realizzato per testare il concetto ha mostrato che, semplicemente in risposta a una differenza di temperatura di 10 gradi Celsius tra la notte e il giorno, il minuscolo campione di materiale ha prodotto 350 millivolt di potenziale e 1,3 milliwatt di potenza, sufficienti per alimentare semplici, piccoli sensori ambientali o sistemi di comunicazione.

"Il materiale a cambiamento di fase immagazzina il calore, "dice Cottrill, l'autore principale dello studio, "e il grafene ti dà una conduzione molto veloce" quando arriva il momento di usare quel calore per produrre una corrente elettrica.

Essenzialmente, Strano spiega, un lato del dispositivo cattura il calore, che poi si irradia lentamente dall'altra parte. Un lato è sempre in ritardo rispetto all'altro mentre il sistema cerca di raggiungere l'equilibrio. Questa differenza perpetua tra le due parti può quindi essere raccolta attraverso i termoelettrici convenzionali. La combinazione dei tre materiali:schiuma metallica, grafene, e ottadecano, lo rende "il materiale con la più alta effusività termica in letteratura fino ad oggi, "dice Strano.

Mentre il test iniziale è stato eseguito utilizzando il ciclo giornaliero di 24 ore della temperatura dell'aria ambiente, la messa a punto delle proprietà del materiale potrebbe consentire di raccogliere altri tipi di cicli di temperatura, come il calore del ciclo di accensione e spegnimento dei motori in un frigorifero, o di macchinari in impianti industriali.

"Siamo circondati da variazioni e fluttuazioni di temperatura, ma non sono stati ben caratterizzati nell'ambiente, " Dice Strano. Ciò è in parte dovuto al fatto che non esisteva un modo noto per imbrigliarli.

Altri approcci sono stati utilizzati per cercare di trarre energia dai cicli termici, con dispositivi piroelettrici, Per esempio, ma il nuovo sistema è il primo che può essere sintonizzato per rispondere a periodi specifici di variazioni di temperatura, come il ciclo diurno, dicono i ricercatori.

Queste variazioni di temperatura sono "energia non sfruttata, "dice Cottrill, e potrebbe essere una fonte di energia complementare in un sistema ibrido che, combinando più percorsi per la produzione di energia, potrebbe continuare a funzionare anche se i singoli componenti si guastassero. La ricerca è stata in parte finanziata da una sovvenzione della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) dell'Arabia Saudita. che spera di utilizzare il sistema come un modo per alimentare reti di sensori che monitorano le condizioni nei campi di trivellazione di petrolio e gas, Per esempio.

"Vogliono fonti di energia ortogonali, "Cottrill dice, cioè quelli che sono completamente indipendenti l'uno dall'altro, come i generatori a combustibili fossili, pannelli solari, e questo nuovo dispositivo di alimentazione a ciclo termico. Così, "se una parte fallisce, " per esempio se i pannelli solari vengono lasciati al buio da una tempesta di sabbia, "avrai questo meccanismo aggiuntivo per dare potere, anche se è appena sufficiente per inviare un messaggio di emergenza".

Tali sistemi potrebbero anche fornire fonti di energia a bassa potenza ma di lunga durata per lander o rover che esplorano località remote, comprese altre lune e pianeti, dice Volodymyr Koman, un postdoc del MIT e coautore del nuovo studio. Per tali usi, gran parte del sistema potrebbe essere realizzato con materiali locali piuttosto che dover essere prefabbricato, lui dice.