I fisici hanno scoperto nuove proprietà radicali in un nanomateriale che apre nuove possibilità per celle termofotovoltaiche altamente efficienti, che un giorno potrebbe raccogliere calore nell'oscurità e trasformarlo in elettricità.

Il team di ricerca dell'Australian National University (ARC Center of Excellence CUDOS) e dell'Università della California Berkeley ha dimostrato un nuovo materiale artificiale, o metamateriale, che si illumina in modo insolito quando riscaldato.

I risultati potrebbero guidare una rivoluzione nello sviluppo di celle che convertono il calore irradiato in elettricità, note come celle termofotovoltaiche.

"Le celle termofotovoltaiche hanno il potenziale per essere molto più efficienti delle celle solari, ", ha affermato il dottor Sergey Kruk della ANU Research School of Physics and Engineering.

"Il nostro metamateriale supera diversi ostacoli e potrebbe aiutare a sbloccare il potenziale delle celle termofotovoltaiche".

Si prevede che le celle termofotovoltaiche siano più di due volte più efficienti delle celle solari convenzionali. Non hanno bisogno della luce solare diretta per generare elettricità, e invece può raccogliere calore dall'ambiente circostante sotto forma di radiazione infrarossa.

Possono anche essere combinati con un bruciatore per produrre energia su richiesta o possono riciclare il calore irradiato da motori caldi.

La ricerca è pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

Il metamateriale della squadra, fatto di minuscole strutture nanoscopiche di oro e fluoruro di magnesio, irradia calore in direzioni specifiche. La geometria del metamateriale può anche essere modificata per emettere radiazioni in un intervallo spettrale specifico, a differenza dei materiali standard che emettono il loro calore in tutte le direzioni come un'ampia gamma di lunghezze d'onda infrarosse. Questo lo rende ideale per essere utilizzato come emettitore abbinato a una cella termofotovoltaica.

Il progetto è iniziato quando il dott. Kruk ha previsto che il nuovo metamateriale avrebbe avuto queste proprietà sorprendenti. Il team dell'ANU ha poi lavorato con gli scienziati dell'Università della California a Berkeley, che hanno un'esperienza unica nella produzione di tali materiali.

"Per fabbricare questo materiale il team di Berkeley stava operando all'avanguardia delle possibilità tecnologiche, " ha detto il dottor Kruk.

"La dimensione dei singoli elementi costitutivi del metamateriale è così piccola che potremmo adattarne più di dodicimila sulla sezione trasversale di un capello umano".

La chiave del notevole comportamento del metamateriale è la sua nuova proprietà fisica, dispersione iperbolica magnetica. La dispersione descrive le interazioni della luce con i materiali e può essere visualizzata come una superficie tridimensionale che rappresenta il modo in cui la radiazione elettromagnetica si propaga in direzioni diverse. Per i materiali naturali, come il vetro o i cristalli le superfici di dispersione hanno forme semplici, sferico o ellissoidale.

La dispersione del nuovo metamateriale è drasticamente diversa e assume una forma iperbolica. Ciò deriva dalle interazioni straordinariamente forti del materiale con la componente magnetica della luce.

L'efficienza delle celle termovoltaiche basate sul metamateriale può essere ulteriormente migliorata se l'emettitore e il ricevitore hanno solo uno spazio nanoscopico tra loro. In questa configurazione, il trasferimento di calore radiativo tra di loro può essere più di dieci volte più efficiente rispetto ai materiali convenzionali.