Il fotovoltaico senza sole

Dal MIT un'innovazione nel campo del settore termofotovoltaico. Un sistema che usa le celle fotovoltaiche per convertire il calore in elettricità, anziché la luce. Un miglioramento dell'efficienza che apre a nuove applicazioni. La chiave è in un materiale che, scaldato, irradia solo le lunghezze d'onda che le celle convertono. Un passo in avanti grazie alle nanotecnologie.

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Un sistema fotovoltaico che non ha bisogno del sole per produrre elettricità, ma funziona convertendo il calore. Come spesso accade, il concetto, alla base del termofotovoltaico, non è nuovo ma, grazie a innovazioni nei materiali con conseguente aumento dell’efficienza, diventa improvvisamente più interessante e si apre a nuove applicazioni.

Nei laboratori del Massachussets Institute of Technology (MIT), infatti, grazie alle nanotecnologie, hanno trovato il modo di modellare la superficie di un materiale facendo sì che converta il calore in precise lunghezze d’onda, quelle stesse che le celle fotovoltaiche riescono meglio a convertire in elettricità. Ne esce un sistema termofotovoltaico molto più efficiente di quelli che esistevano finora.

La chiave per ottenere questa emissione a lunghezze d’onda calibrate – si spiega in uno studio uscito su Physical Review A – sta in un materiale sulla cui superficie vengono ricavate miliardi di cavità di dimensioni nanometriche (vedi foto al microscopio accanto al titolo). Quando questo materiale assorbe calore – sia dal sole che da combustibili fossili o da qualsiasi altra fonte – la superficie così lavorata irradia energia a lunghezze d’onda ben definite.

Basandosi su questa tecnologia i ricercatori del MIT hanno creato un generatore delle dimensioni di un bottone, che, alimentato a butano, può produrre elettricità tre volte più a lungo rispetto ad una batteria al litio delle stesse dimensioni e si può ricaricare istantaneamente inserendo una nuova micro-cartuccia di carburante (vedi foto). Un’altra applicazione che sfrutta questo sistema termofotovoltaico è un generatore alimentato da un radioisotopo che produce calore stabilmente per decadimento radioattivo: il dispositivo può produrre elettricità per 30 anni senza essere rifornito di carburante, l’ideale ad esempio per missioni aereospaziali.

Nella foto: i microreattori basati su chip al silicio sviluppati all’MIT. Ognuno ha dei cristalli fotonici su entrambe le facciate piatte, i tubicini servono per iniettare carburante ed aria e far fuoriuscire gli scarichi. Dentro al chip combustibile ed aria reagiscono producendo calore, che scalda i cristalli fotonici. Le celle fotovoltaiche, se i reattori fossero in uso, andrebbero montate a ridosso di entrambe le facciate, lasciando un piccolo spazio.

Ma le applicazioni potrebbero essere molte altre. Su queste pagine abbiamo parlato spesso delle potenzialità dei nuovi sistemi che riescono a convertire  in elettricità  – con buone efficienze e senza passare per l’energia meccanica – il calore, in larga parte sprecato (si pensi ad esempio alle innovazioni sul termoelettrico che sfrutta l’effetto Seebeck fatte sempre al MIT: Qualenergia.it,  Solare termoelettrico, la terza via per l’elettricità dal sole).

Secondo i dati della U.S. Energy Information Administration, il 92% dell’energia che usiamo deriva dalla conversione di calore in energia meccanica e da lì spesso in elettricità, ad esempio facendo bollire liquidi per far girare una turbina collegata ad un generatore elettrico. Il problema è che i sistemi meccanici hanno efficienze relativamente basse e non possono essere ridotti più di tanto in quanto a dimensioni. Chiare le potenzialità di un processo che invece riesce a trasformare il calore direttamente in elettricità, senza usare parti in movimento e che è applicabile anche su scale piccolissime, oltre ad essere relativamente economico.

Che il fotovoltaico potesse lavorare direttamente con il calore d’altra parte non è una novità: il termofotovoltaico nasce circa mezzo secolo fa, abbinando celle FV a varie fonti di calore che scaldano materiali emittenti irradiando calore e luce ai diodi della cella. Il problema era che questi materiali irradiavano energia su lunghezze d’onda molto più verso l’infrarosso di quello che accade nello spettro solare; una lacuna che era stata in parte compensata nell’ultimo decennio con l’introduzione di celle fotovoltaiche, dette a “low band-gap”, che riescono a convertire molta più radiazione all’infrarosso rispetto alle celle convenzionali. Nonostante questo, gran parte del calore continuava ad andare perso e dunque le efficienze restavano basse.

Da qui l’innovazione introdotta da Ivan Celanovic e i suoi colleghi all’MIT: un materiale che assorbe il calore ed emette solo le lunghezze d’onda che i diodi della cella FV possono assorbire e convertire in elettricità. Un cristallo fotonico ottenuto modellando a livello nanometrico la superficie di una piastrina di tungsteno in un pattern regolare di cavità e rilievi, che cambiano il modo in cui la luce si propaga. Quando il supporto si scalda, in questo modo, genera una luce intensa con uno spettro alterato, dato che ogni buca (che sarebe un difetto importante nella struttura atomica del materiale) agisce creando una risonanza, che lascia fuggire solo radiazioni  di una certa lunghezza d’onda.

(da materiale MIT, credit foto Justin Knight-MIT)

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