Come funziona un generatore a stato solido?

In questo sito web abbiamo illustrato alcuni generatori a stato solido decisamente singolari, come quello quarzo-grafite di Franceschini-Giardina prodotto in Italia da GQenergy srl, il generatore a elettrete Orbo, già prodotto e commercializzato in Europa dalla Steorn Ltd, e la Silicon-Graphite Powercell, prodotta e commercializzata negli USA dalla Quanta Magnetics. Ma come funziona un generatore a stato solido tipo quelli appena elencati? Quali sono le proprietà dei materiali che possono giustificarne il funzionamento? E c’è un elemento comune che li unisce o si tratta di dispositivi completamente diversi?

È ragionevole ritenere che sia il generatore a stato solido di Orbo sia quello di Franceschini-Giardina abbiano un “elemento attivo”, con la funzione di fornire le vibrazioni poi rilevate dal trasduttore (rispettivamente, l’elettrete e il quarzo), le quali verosimilmente derivano dalla cattura in modo efficiente dell’energia termica ambiente. Una ipotesi è che questo elemento attivo sia dato, in entrambi i casi, dalla grafite/grafene, di cui si è di recente scoperta un’ulteriore proprietà.

Una nuova ricerca ha infatti approfondito l’increspatura del grafene, scoprendo un fenomeno fisico su scala atomica che potrebbe essere sfruttato per produrre energia pulita in modo praticamente illimitato. In pratica, un team di fisici con sede negli Stati Uniti, in Iran e in Belgio, e guidato da ricercatori dell’Università dell’Arkansas, il cui scopo era semplicemente di osservare semplicemente come il grafene reagisce quando viene scosso, ha scoperto che un foglio 2D di grafene si comporta in modo singolare.

Alla ricerca della vera fonte di energia

Da quando il grafene è stato isolato per la prima volta nel 2004, si è scoperto che questo materiale ha numerose proprietà elettroniche e meccaniche eccezionali, per cui potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni che vanno dall’elettronica alla purificazione dell’acqua, ed ora anche alla produzione di energia. Nel loro esperimento, Paul Thibado e colleghi dell’Università dell’Arkansas hanno usato un potente microscopio per studiare la superficie del grafene a scala atomica.

Il microscopio a effetto tunnel usato dal gruppo di Thibado (a sinistra) e un foglio di grafene visto attraveso tale strumento. (fonte: University of Arkansas)

Tutti noi conosciamo conosciamo la grafite – il materiale a base di carbonio nero che è comunemente combinato con un materiale ceramico per realizzare la cosiddetta “mina” o “grafite piombo” delle matite, più solida e resistente della grafite pura – e ciò che vediamo come macchie della matita quando scriviamo su un foglio sono in realtà dei fogli di atomi di carbonio impilati, disposti in un modello a “filo di pollo”. Dato che questi fogli non sono uniti, scivolano facilmente l’uno sull’altro.

Per anni gli scienziati si sono chiesti se fosse possibile isolare singoli fogli di grafite, isolando un piano bidimensionale di “filo di pollo” di carbonio. Nel 2004, una coppia di fisici dell’Università di Manchester ha raggiunto l’impossibile, isolando da una massa di grafite un foglio dello spessore di un solo atomo. Per esistere senza il supporto di un substrato, il materiale 2D doveva “imbrogliare”, agire in qualche modo come un materiale 3D per fornire un certo livello di robustezza. Ma come era possibile?

Ebbene, si è scoperto che la “scappatoia” è costituita dal movimento casuale degli atomi che saltano avanti e indietro, dando al foglio 2D di grafene una terza dimensione. In altre parole, l’esistenza del grafene è possibile perché non è affatto perfettamente 2D, ma vibra a livello atomico in un modo tale che i suoi legami non si sciolgono in maniera spontanea. Per misurare con precisione il livello di questa vibrazione, il gruppo guidato dal fisico Paul Thibado ha condotto un semplice ma istruttivo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters 117 (2016).

Il grafene monostrato, che in realtà non è perfettamente piano come si credeva.

Egli ha posato dei fogli di grafene su una griglia di rame di supporto e osservato i cambiamenti nelle posizioni degli atomi usando un microscopio a scansione a effetto tunnel. Sebbene potesse registrare le oscillazioni degli atomi nel grafene, i numeri davvero non erano compatibili con alcuno dei modelli previsti. Non poteva riprodurre i dati raccolti da una misurazione alla successiva. Si chiedeva se avrebbe imparato qualcosa: forse stava formulando una domanda troppo semplice.

Così Thibado ha cercato un modello cambiando il modo in cui guardava i dati. Ha separato ogni immagine in sotto-immagini. Guardare le medie su larga scala ha nascosto i modelli sottostanti. Ogni regione di una singola immagine, vista nel tempo, ha prodotto uno schema più significativo. Il team ha così rapidamente scoperto che i fogli di grafene si stavano deformando in un modo non dissimile dallo schioccare avanti e indietro di un pezzo piegato di metallo sottile quando viene contorto dai lati.

Piccole fluttuazioni casuali si combinavano per formare i cambiamenti improvvisi e drammatici sono conosciuti come “voli Lévy”. Sebbene questi ultimi siano stati in precedenza osservati in sistemi complessi di biologia e climatologia, questa era la prima volta che sono stati visti su una scala atomica. Misurando la velocità e la scala di queste onde di grafene, Thibado ha suggerito che potrebbe essere possibile sfruttarle come una fonte di energia alla temperatura ambiente.

Il setup sperimentale usato dal gruppo di Thibado e la tipica traccia nel tempo dell’altezza della membrana di grafene. (fonte: P. Thibado / University of Arkansas)

Finché la temperatura del grafene ha permesso agli atomi di spostarsi in modo non agevole, il materiale ha continuato a incresparsi ed a piegarsi. Posizionando degli elettrodi su entrambi i lati delle sezioni di questo inarcamento del grafene, si è osservata una piccola variazione di tensione. I ricercatori credono che il processo casuale osservato potrebbe essere usato per raccogliere energia termica dall’ambiente e un giorno potrebbe essere utilizzato per alimentare piccoli dispositivi elettronici.

Infatti, osservando la superficie del grafene in una piccola regione, e misurandone l’altezza per un periodo di più di due ore a temperatura ambiente, il team di Thibaldo ha trovato che l’altezza della regione è variata fino a 10 nm nel tempo, una distanza che è circa 40 volte la separazione tra atomi di carbonio vicini nel grafene. Il più delle volte il movimento era simile a un dolce movimento che è descritto dal moto Browniano, un tipo di movimento casuale che è previsto in un tale sistema.

Il grafene libero è risultato costantemente in movimento. Si muove su e giù come una boa che ballonzola nell’oceano. Tuttavia, Thibado e colleghi hanno visto anche un movimento molto più violento. Ogni tanto, la regione che stavano osservando oscillava rapidamente passando dall’essere parte di una superficie concava all’essere parte di una superficie convessa e viceversa. Questo movimento di instabilità potrebbe essere usato per generare elettricità dall’energia termica dell’ambiente.

Il gruppo di Thibado ha osservato che la membrana di grafene oscilla nel tempo, assumendo localmente ora una forma concava ora una forma convessa.

Il movimento oscillante viene interrotto a intermittenza quando il materiale si ribalta dall’esterno passando dal mostrarsi come la parte interna di una ciotola alla parte esterna della ciotola, aggiungendo un movimento ad alta velocità noto come “instabilità meccanica”. Analizzando la frequenza di questi eventi di instabilità, il team ha capito che possono essere descritti come “voli Lévy”. Si tratta di un percorso casuale in cui sono comuni delle grandi escursioni dalla posizione media.

Dai calcoli effettuati da Thibado, risulta che un singolo pezzo di grafene di 10 μm x 10 μm potrebbe produrre 10 μW di potenza. Dato che puoi avere più di 20.000 di questi quadrati sulla testa di uno spillo, con una piccola quantità di grafene a temperatura ambiente potrebbe essere possibile alimentare qualcosa di piccolo come un orologio da polso per un periodo di tempo indefinito. Meglio ancora, esso potrebbe alimentare bioimpianti che non necessitano di batterie ingombranti.

L’idea è che le increspature del grafene sono presenti in natura e costituiscono la “chiave per utilizzare il movimento dei materiali 2D come fonte di energia recuperabile”, come suggerisce Thibado. A differenza degli atomi individuali di altri materiali che si muovono in modo casuale, gli atomi di carbonio nel grafene rimangono collegati nel loro strato e quindi si muovono insieme, il che consente di catturare l’energia di tali increspature, ad esempio utilizzando la nanotecnologia.

Generatori che sfruttano grafite/grafene

Thibado ha inventato, allo scopo, il Vibration Energy Harvester (VEH). Inoltre, ha scoperto che la conduttività superiore del grafene – una caratteristica che gli consente di eccellere come materiale per creare minuscoli circuiti elettrici in altri contesti – lo rende meno che ideale per i suoi scopi. Il suo dispositivo VEH produce più energia se il materiale attivo non è conduttivo perché, se gli elettroni si muovono troppo facilmente attraverso di esso, ciò riduce la sua efficienza.

Il Vibration Energy Harvester di Thibado è in grado di trasformare questa energia fornita dal grafene in elettricità, con il potenziale per molte applicazioni. Ha pertanto richiesto e ricevuto un brevetto provvisorio su questa invenzione. Il suo dispositivo consiste di un foglio di grafene caricato negativamente posto tra due elettrodi metallici. Quando il grafene si solleva, induce una carica positiva nell’elettrodo superiore e, quando si abbassa, carica quello inferiore, creando una corrente alternata.

Il generatore a stato solido realizzato da Thibado. Si noti che quando il foglio di grafene si muove verso l’alto la corrente scorre in un senso, ma quando si muove verso il basso essa si muove nel senso opposto. (fonte: University of Arkansas)

Nel 2012, invece, dei ricercatori del Politecnico di Hong Kong hanno inventato un generatore che, pur non essendo a stato solido, vi assomiglia in quanto usa il grafene e non preleva l’energia dalle reazioni chimiche (ad es. di un elettrolita liquido o solido) ma dal calore ambiente – e precisamente dall’energia termica degli ioni in una soluzione – e la converte in elettricità. Gli ioni in una soluziona acquosa si muovono infatti a velocità di centiania di metri al secondo, a pressione e temperatura ambiente.

La singolare cella è stata realizzata attaccando elettrodi di argento e di oro alle estremità di una striscia di grafene. Nei loro esperimenti, i ricercatori ha mostrato che sei di questi dispositivi in serie collocati in una soluzione di ioni di cloruro di rame possono produrre una tensione superiore a 2 V. Il dispositivo funziona esclusivamente raccogliendo l’energia termica degli ioni del cloruro di rame circostante, che, in teoria, non ha limiti, un po’ come succede in un pannello fotovoltaico.

La cella realizzata dai ricercatori di Hong-Kong preleva l’energia termica degli ioni di rame.

I ricercatori hanno anche scoperto che la tensione prodotta dal dispositivo viene aumentata riscaldando la soluzione ionica e accelerando gli ioni di rame (Cu2+) con ultrasuoni, perché ciò aumenta la loro energia cinetica. Gli ioni di rame si scontrano di continuo con la striscia di grafene presente nella cella. La collisione è abbastanza energica da spostare un elettrone dal grafene. Questo elettrone può quindi combinarsi con lo ione di rame o viaggiare attraverso la striscia di grafene e nel circuito.

Poiché gli elettroni si muovono attraverso il grafene a velocità estremamente elevate (dato che si comportano come particelle relativistiche senza massa a riposo), viaggiano molto più velocemente in tale materiale che nella soluzione ionica. L’elettrone rilasciato quindi preferisce viaggiare attraverso il circuito del grafene piuttosto che attraverso la soluzione. Ecco come si produce la tensione ai capi del dispositivo grazie al grafene (mentre grafite, nanotubi di carbonio e film sottile producono solo μV).

Naturalmente, altri tipi di generatori a stato solido possono sfruttare queste proprietà del grafene in altri modi, e magari non usando fogli estesi. Ad es. la cella di Franceschini-Giardina potrebbe usare i movimenti naturali dei piccoli grani di grafite flocculenta per “stimolare” quelli di quarzo, il trasduttore in grado di trasformare una forza o un movimento in cariche elettriche. Perciò, è verosimile che in essa le dimensioni relative delle polveri di quarzo e grafite/grafene siano molto importanti.

Un film sottile generatore elettrico ricavato dalla cella di Franceschini-Giardina. La GQenergy Srl ha come presidente l’inventore Ermanno Franceschini. (fonte: GQenergy)

Dunque, a questo punto non dovrebbe esservi difficile immaginare come potrebbe funzionare il generatore a elettrete di Orbo. L’idea di ricavare energia dagli elettreti non è nuova: la troviamo, ad esempio, già in un brevetto del 1996 della Lockeed Martin: Method and apparatus for supplying electric power. In questo caso, un materiale elettrete emette un’uscita in tensione DC in risposta all’applicazione continua di un campo statico ad alto potenziale attraverso il materiale dell’elettrete.

Con un’ottimizzazione convenzionale di un sistema basato su elettrete (v. Optimization of an electret-based energy harvester), è possibile raccogliere fino a 200 μW con vibrazioni inferiori a 1G di accelerazione usando elettrodi sottili di quarzo (SiO2) con una superficie attiva di 1 cm² e una massa mobile di 1 g. Ma anche così si è lontani dalla densità di energia di 2,6 mW/cm2 che nell’articolo Generatori a stato solido? Meglio del fotovoltaico abbiamo stimato essere associata al generatore di Orbo.

Il “segreto” di Orbo e degli altri generatori

Probabilmente, la principale novità introdotta dall’inventore di Orbo – l’Ing. Shaun McCarthy – è stata l’aggiunta di grafite o grafene. Infatti, vi è una differenza di almeno un ordine di grandezza fra i livelli di densità di potenza della cella di Orbo e la tecnologia convenzionale dei generatori a elettrete. La grafite potrebbe ad es. formare uno strato di un condensatore, che genererà picchi di tensione quando l’elettrete vibra a causa delle fluttuazioni. Sarebbe sufficiente rettificarli per ottenere energia.

La densità di potenza elettrica ottenibile da varie fonti energetiche.

Inoltre, nel 2011, dei ricercatori del MIT guidati da Pablo Jarillo-Herrero hanno scoperto che, illuminando un foglio di grafene trattato in modo da avere due regioni con differenti proprietà elettriche, si crea una differenza di temperatura che, a sua volta, genera una corrente. Infatti, gli elettroni del grafene, che trasportano la corrente, sono scaldati dalla luce, ma il reticolo di nuclei di carbonio del grafene rimane freddo, ed è questa differenza di temperatura nel materiale (e non l’effetto fotoelettrico) che produce l’inusuale flusso di elettricità.

Il motivo di questa insolita risposta termica – o riscaldamento differenziale – da loro illustrata in un articolo su Science è che il grafene è il materiale più forte conosciuto. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni surriscaldati trasferiscono energia al reticolo circostante. Nel caso del grafene, tuttavia, ciò è estremamente difficile da fare, poiché la resistenza del materiale significa che ci vuole molta energia per far vibrare il suo reticolo di nuclei di carbonio, quindi molto poco del calore degli elettroni viene trasferito a quel reticolo.

È dunque possibile che la grafite/grafene svolga un ruolo del tutto diverso: se una “rectenna” in nanotubo di carbonio converte direttamente la luce in elettricità – ovvero certe strutture in carbonio funzionano con la luce visibile ad alta frequenza – potrebbero rettificare pure la triboluminescenza del quarzo, i fotoni a infrarossi e/o le fluttuazioni di tensione prodotte dal materiale piezoelettrico contenuto nella cella di Franceschini-Giardina – e forse nell’elettrete di Orbo – fornendo elettricità.

Una rectenna ottica costituita da nanotubi di carbonio converte la luce verde di un laser in elettricità, in un laboratorio del Georgia Institute of Technology.

In natura, infatti, i materiali elettreti sono piuttosto comuni. Il quarzo e altre forme di biossido di silicio, ad esempio, sono elettreti che si formano naturalmente. Oggigiorno, la maggior parte degli elettreti sono prodotti dai polimeri sintetici. La produzione degli elettreti può avvenire per raffreddamento di una massa di un materiale dielettrico idoneo (di solito cere, polimeri o resine), previa sua fusione, entro un forte campo elettrico che riposiziona i portatori delle cariche o allinea i dipoli.

D’altra parte, esistono anche dei microfoni estremamente sensibili capaci di rivelare il rumore quantistico (o il moto browniano) nei solidi. Oltretutto, è pure possibile immaginare che due diversi processi si verifichino allo stesso tempo in una cella, ovvero che ad esempio movimenti naturali della grafite eccitino il quarzo inducendo delle bassissime tensioni oscillanti, che vengono poi rettificate dalla grafite più fine, producendo così una tensione ai capi del generatore a stato solido.

Nell’articolo Thermoelectric Power Generation from Lanthanum Strontium Titanium Oxide at Room Temperature through the Addition of Graphene, l’aggiunta di appena lo 0,6% in peso di grafene ha diminuito la conduttività termica del nanocomposito di partenza, mentre ha incrementato in maniera significativa la sua conducibilità elettrica e la potenza elettrica generata grazie all’effetto Seebeck e alla riduzione alla temperatura ambiente della finestra termica del nanocomposito.

Si noti che, nel generatore a wafer silicio-grafite della Quanta Magnetics, illustrato nel mio articolo Generatori a stato solido? Meglio del fotovoltaico, viene usato silicio, non silice. Il quarzo è un materiale costituito da biossido di silicio (SiO2), o silice, mentre il silicio è un elemento puro, sintetizzabile rimuovendo l’ossigeno dalla silice (con un processo che richiede altissime temperature), permettendo così di ottenere grandi quantità di silicio dai minerali di silice, come appunto i quarzi.

Il generatore a film sottile silicio-grafite della Quanta Magnetics produce una tensione che aumenta leggermente al crescere della temperatura della cella. (fonte: YouTube)

Non sappiamo come funzioni questo dispositivo, ma probabilmente rettifica le fluttuazioni termiche della giunzione silicio-grafene, funzionando in modo simile al generatore di Orbo (che contiene, verosimilmente, anche grafite o grafene). Ma escludiamo senz’altro che usi un’elettrolita liquido ionico, altrimenti sarebbe una normale batteria al silicio (che si esaurisce semplicemente con lo scioglimento e l’ossidazione del silicio), cosa che sarebbe peraltro facilmente rilevabile dai suoi acquirenti.

All’interno dei condensatori (come quello usato da questo generatore a silicio-grafite e in quello di Orbo), il campo elettrostatico si propaga tanto più lentamente quanto maggiore è la permeabilità elettrica del dielettrico che lo compone. La presenza di grafite diminuisce la permeabilità elettrica ancora di più, dividendo di fatto un condensatore in molti piccoli condensatori. Se vuoi rettificare le fluttuazioni del vuoto (energia di punto zero), avrai bisogno di condensatori piuttosto piccoli per farlo.

In conclusione, in tutti e tre i generatori a stato solido che ci interessano abbiamo del materiale piezolettrico (quarzo, elettrete) o piezoresistivo (silicio, che ha anche altri effetti: effetto Seeback, effetto Hall, effetto fotovoltaico) e della grafite/grafene. Dunque, è possibile che la fonte di energia sia comune nei tre casi (ad es. l’energia di punto zero, i movimenti spontanei del grafene, le fluttuazioni termiche, etc.), e che il princìpio comune usato per “estrarla” sia la rettificazione delle fluttuazioni.

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