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Nel mondo dell’elettricità, il rame è il re. Ma al 2035 l’offerta di questo metallo, critico per applicazioni come il fotovoltaico, l’eolico e le batterie, nel prossimo decennio potrebbe essere del 20% inferiore alla domanda, come accennato in un precedente articolo.
Si sta quindi cercando di trovare delle alternative più facilmente accessibili e a buon mercato, che consentano di diversificare se non sostituire “l’anima” presente all’interno di così tanti apparati e congegni elettrici.
Fra queste alternative c’è l’alluminio. Il nodo principale da risolvere è però quello della conduttività: l’alluminio, infatti, ha un prezzo e un peso pari a un terzo di quello del rame, ma la sua conduttività è solo il 60% di quella del re dei metalli elettrici.
Fra i ricercatori che hanno intrapreso questo sforzo di sostituzione, ci sono quelli del Pacific Northwest National Laboratory (Pnnl) americano, con la loro ricetta per aumentare la conduttività dell’alluminio e renderlo più competitivo rispetto al rame, che col suo peso specifico considerevole riduce, per esempio, l’efficienza dei veicoli elettrici.
“E se si potesse rendere l’alluminio più conduttivo, anche fino all’80% o al 90% conduttivo rispetto al rame? Si potrebbe sostituire il rame e questo farebbe una differenza enorme, perché l’alluminio è più leggero, più economico e più abbondante. Questo è il problema generale che stiamo cercando di risolvere”, ha spiegato in una nota divulgativa Keerti Kappagantula, scienziato dei materiali del Pnnl e co-autore della ricerca, intitolata “Electrical conduction processes in aluminum: Defects and phonons” e pubblicata su Physical Review B.
Rame contro alluminio
Il rame è usato in moltissime applicazioni già molto diffuse da parecchi anni, dall’elettronica portatile ai cavi di trasmissione sottomarini che alimentano Internet, senza dimenticare fotovoltaico, eolico e batterie.
Tali applicazioni sono destinate ad aumentare massicciamente nei prossimi decenni, via via che si diffonderanno, per esempio, i veicoli elettrici, che necessitano di una quantità di rame doppia rispetto ai veicoli tradizionali.
La conduttività relativamente bassa dell’alluminio è quindi un nodo centrale che limita il suo uso in molte applicazioni sul campo.
“Per anni abbiamo pensato che i metalli non potessero essere resi più conduttivi. Ma non è così“, ha sottolineato Kappagantula. “Se si modifica la struttura del metallo e si introducono gli additivi giusti, è possibile influenzare le sue proprietà”.
Per iniziare a capire quanto si possa aumentare la conduttività dell’alluminio, Kappangantula e la sua squadra hanno collaborato con ricercatori dell’Università dell’Ohio per identificare gli effetti della temperatura e dei difetti strutturali sulla conduttività dell’alluminio, e così sviluppare una ricetta “atomo per atomo” per aumentarne la conduttività.
Un possibile modello
Questo tipo di simulazione molecolare non era mai stato fatto prima per i metalli, quindi i ricercatori hanno dovuto essere creativi, prendendo spunto dai semiconduttori, perché precedenti ricerche avevano simulato con successo la conduttività di questi materiali a base di silicio e di alcuni ossidi metallici.
Il team ha adattato questi concetti all’alluminio e ha simulato cosa sarebbe successo alla conduttività del metallo se singoli atomi della sua struttura molecolare fossero stati rimossi o riorganizzati. Questi piccoli cambiamenti si sono tramutati in grandi guadagni nella conduttività totale, hanno indicato i ricercatori, secondo cui la capacità del modello di simulare le condizioni del mondo reale sarebbe stata “sorprendente”.
“Non pensavamo che questi risultati sarebbero stati così vicini alla realtà. È molto eccitante“, ha detto Kappagantula.
Con una possibile ricetta ora chiara, almeno a livello teorico, per alterare la conduttività del metallo, i ricercatori intendono testare di quanto potranno aumentare la conduttività dell’alluminio in laboratorio per far coincidere la teoria con i risultati sperimentali.
I ricercatori americani stanno anche esplorando la possibilità di aumentare la conduttività di altri metalli utilizzando le stesse simulazioni. Metalli più conduttivi avrebbero implicazioni di vasta portata per qualsiasi applicazione che attualmente utilizzi l’elettricità o il rame, in modo da rendere la transizione energetica e l’elettrificazione degli usi finali più rapida ed economica.
