La conversione diretta dell'energia elettrica in calore è facile. Succede regolarmente nel tuo tostapane, questo è, se fai i toast regolarmente. L'opposto, convertire il calore in energia elettrica, non è così facile.

I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno sviluppato un minuscolo dispositivo a base di silicio in grado di sfruttare quello che in precedenza era chiamato calore disperso e trasformarlo in corrente continua. Il loro progresso è stato recentemente pubblicato su Physical Review Applied.

"Abbiamo sviluppato un nuovo metodo essenzialmente per recuperare energia dal calore disperso. I motori delle auto producono molto calore e quel calore è solo uno spreco, Giusto? Quindi immagina se potessi convertire quel calore del motore in energia elettrica per un'auto ibrida. Questo è il primo passo in quella direzione, ma c'è ancora molto lavoro da fare, "ha detto Paul Davids, un fisico e il ricercatore principale per lo studio.

"A breve termine stiamo cercando di realizzare un alimentatore a infrarossi compatto, forse per sostituire i generatori termoelettrici a radioisotopi." Chiamati RTG, i generatori sono utilizzati per compiti come l'alimentazione di sensori per missioni spaziali che non ricevono abbastanza luce solare diretta per alimentare i pannelli solari.

Il dispositivo di Davids è fatto di materiali comuni e abbondanti, come l'alluminio, silicio e biossido di silicio, o vetro, combinati in modi molto rari.

Il dispositivo al silicio si blocca, canalizza e converte il calore in potenza

Più piccolo di un'unghia da mignolo, il dispositivo è di circa 1/8 di pollice per 1/8 di pollice, spessa la metà di una monetina e metallicamente lucente. La parte superiore è in alluminio inciso con strisce circa 20 volte più piccole della larghezza di un capello umano. Questo modello, anche se troppo piccolo per essere visto a occhio, funge da antenna per catturare la radiazione infrarossa.

Tra la parte superiore in alluminio e la parte inferiore in silicio c'è uno strato molto sottile di biossido di silicio. Questo strato ha uno spessore di circa 20 atomi di silicio, o 16, 000 volte più sottile di un capello umano. L'antenna in alluminio modellato e inciso incanala la radiazione infrarossa in questo strato sottile.

La radiazione infrarossa intrappolata nel biossido di silicio crea oscillazioni elettriche molto veloci, circa 50 trilioni di volte al secondo. Questo spinge gli elettroni avanti e indietro tra l'alluminio e il silicio in modo asimmetrico. Questo processo, chiamato rettifica, genera corrente elettrica CC netta.

Il team chiama il suo dispositivo una rectenna a infrarossi, un portmanteau di antenna raddrizzatrice. È un dispositivo a stato solido senza parti mobili da inceppare, piegare o rompere, e non deve toccare direttamente la fonte di calore, che può causare stress termico.

La produzione di rectenna a infrarossi utilizza comuni, processi scalabili

Poiché il team realizza la rectenna a infrarossi con gli stessi processi utilizzati dall'industria dei circuiti integrati, è facilmente scalabile, disse Joshua Shank, ingegnere elettrico e primo autore dell'articolo, che ha testato i dispositivi e modellato la fisica sottostante mentre era un borsista post-dottorato di Sandia.

Ha aggiunto, "Ci siamo volutamente concentrati su materiali comuni e processi scalabili. In teoria, qualsiasi struttura commerciale per la fabbricazione di circuiti integrati potrebbe realizzare queste rectenna".

Questo non vuol dire che creare il dispositivo attuale sia stato facile. Rob Jarecki, l'ingegnere di fabbricazione che ha guidato lo sviluppo del processo, disse, "C'è un'immensa complessità sotto il cofano e i dispositivi richiedono tutti i tipi di trucchi di elaborazione per costruirli".

Una delle maggiori sfide di fabbricazione è stata l'inserimento di piccole quantità di altri elementi nel silicio, o drogandolo, in modo che riflettesse la luce infrarossa come un metallo, disse Jarecki. "In genere non si drogano fino alla morte il silicio, non provi a trasformarlo in un metallo, perché hai metalli per quello. In questo caso avevamo bisogno che fosse drogato il più possibile senza distruggere il materiale".

I dispositivi sono stati realizzati presso la Microsystems Engineering di Sandia, Complesso di scienza e applicazioni. Il team ha ottenuto un brevetto per la rectenna a infrarossi e ha depositato diversi brevetti aggiuntivi.

La versione della rectenna a infrarossi riportata dal team in Physical Review Applied produce 8 nanowatt di potenza per centimetro quadrato da una lampada di calore specializzata a 840 gradi. Per contesto, un tipico calcolatore a energia solare utilizza circa 5 microwatt, quindi avrebbero bisogno di un foglio di rectenna a infrarossi leggermente più grande di un normale pezzo di carta per alimentare una calcolatrice. Così, il team ha molte idee per miglioramenti futuri per rendere più efficiente la rectenna a infrarossi.

Lavori futuri per migliorare l'efficienza della rectenna a infrarossi

Queste idee includono la creazione di x 2-D del modello superiore della rectenna invece di strisce 1D, per assorbire la luce infrarossa su tutte le polarizzazioni; ridisegnare lo strato raddrizzatore in modo che sia un raddrizzatore a onda intera invece dell'attuale raddrizzatore a semionda; e realizzare la rectenna a infrarossi su un wafer di silicio più sottile per ridurre al minimo la perdita di potenza dovuta alla resistenza.

Attraverso un design migliorato e una maggiore efficienza di conversione, la potenza per unità di superficie aumenterà. Davids pensa che entro cinque anni, la rectenna a infrarossi può essere una buona alternativa agli RTG per alimentatori compatti.

Shank ha detto, "Dobbiamo continuare a migliorare per essere paragonabili agli RTG, ma le rectennas saranno utili per qualsiasi applicazione in cui hai bisogno di qualcosa per lavorare in modo affidabile a lungo e dove non puoi entrare e cambiare semplicemente la batteria. Però, non saremo un'alternativa ai pannelli solari come fonte di energia su scala di rete, almeno non nel breve termine".

David ha aggiunto, "Ci siamo ridotti al problema e ora stiamo iniziando ad arrivare al punto in cui stiamo vedendo guadagni relativamente grandi nella conversione di potenza, e penso che ci sia un percorso in avanti come alternativa al termoelettrico. È bello arrivare a questo punto. Sarebbe fantastico se potessimo ampliarlo e cambiare il mondo".