Come realizzare una batteria auto-ricaricabile

Questo articolo illustra l’invenzione per certi versi più incredibile in cui mi sia mai imbattuto: il Generatore a Stato Solido (GSS) di Franceschini-Giardina, che può essere usato dallo scienziato dilettante per realizzare – con pochi spiccioli – una batteria auto-ricaricabile, cioè una fonte illimitata e pulita di elettricità, di giorno e di notte. Ve lo dice uno che è stato co-licenziatario italiano dell’E-Cat, il rivoluzionario reattore di Andrea Rossi. Entrambi sono generatori basati su forme di “free energy”, ma le loro applicazioni sono decisamente complementari: per macro-potenze l’E-Cat, per micro-potenze il GSS.

Il cosiddetto “Generatore a Stato Solido” (GSS) di Franceschini-Giardina è il frutto di una brillante invenzione di Ermanno Franceschini, un perito esperto di buiding automation che, dopo aver lavorato in giro per il mondo, oggi vive in mezzo alla natura fra Villa Minozzo e Barca, in provincia di Reggio Emilia. Il GSS è stato sviluppato insieme a Stefano Giardina, perito elettrotecnico e suo collaboratore nella ET Srl di Cavriago (RE), una società che si occupa di automazione specie nel settore industriale e food.

Ho avuto la fortuna di conoscere entrambi e di poter testare il generatore insieme a un esperto ingegnere il 25 febbraio 2016. Anche se non riferirò – per ovvi motivi di riservatezza – i risultati delle nostre misurazioni, posso dire che non solo abbiamo potuto constatarne il funzionamento a dir poco sbalorditivo, ma come fisico sono stato colpito dal fatto che la spiegazione del princìpio fisico sottostante al GSS sia sfuggita non solo ai due proponenti ma anche a tutti i numerosi esperti che l’hanno testato.

Ermanno insieme a un prototipo della lampada “QLisa”, dotata di una batteria auto-ricaricabile che usa la sua invenzione, il Generatore di Energia a Stato Solido. (fonte: Ermy.it)

In un altro articolo illustrerò una possibile ed interessante spiegazione del funzionamento di questo generatore – nonché di altri due molto simili che sono stati sviluppati in modo del tutto indipendente in altre parti del mondo – cui sono arrivato, per un puro colpo di fortuna, dopo essermi scervellato per mesi sulla questione. Nel presente articolo vorrei, invece, illustrare allo scienziato dilettante come si realizza questo generatore a stato solido, per poter provare la meraviglia che esso suscita.

Storia e caratteristiche del generatore proposto

Il simpaticissimo Ermanno, nato a Como il 18 dicembre 1961, nel 2011 ha inventato una cella a stato solido con la capacità di generare elettricità ma, a differenza delle celle fotovoltaiche (che producono energia solo con la luce del giorno), in modo continuo, cioè sia di giorno che di notte. Ermanno mi ha raccontato come avvene la scoperta: tutto capitò un giorno in cui era a letto con il mal di schiena, fece sul web alcune ricerche che lo portarono a usare del quarzo, di cui le sue montagne sono ricche.

Anche qui non entrerò in altri dettagli per riservatezza e perché inessenziali ai fini dell’argomento di questo articolo. Piuttosto, vorrei sottolineare la tempistica con cui l’invenzione è stata sviluppata, che è illustrata nel sito www.ermy.it, di cui consiglio un’attenta esplorazione: il 16/10/11 viene realizzato il primo prototipo della cella energetica a stato solido; il 23/11/11 il primo generatore a stato solido, basato su più celle; infine, il 31 maggio 2013 viene depositato il brevetto per l’Italia dell’invenzione.

Mio riassunto della cronistoria di questa straordinaria invenzione.

Nel 2014 la cella energetica a stato solido si trasforma in una vera e propria batteria auto-ricaricabile e viene anche creata una versione flessibile della cella. Nel settembre 2015, a dimostrazione dell’invenzione, Franceschini e Giardina hanno presentato al pubblico un primo prototipo di una lampada da tavolo OLED senza fili e senza pile o batterie caricate dall’esterno, dal design decisamente innovativo. Illustrata nel sito www.QLisa.it, essa utilizza la batteria auto-ricaricabile di Franceschini-Giardina.

Nel 2016, come già accennato, ho avuto la possibilità di conoscere i due simpatici inventori emiliani e di testare la bontà sia dell’invenzione intesa come generatore di energia gratuita, sia della lampada auto-ricaricabile, intesa come prodotto pronto per la produzione industriale. Non a caso, all’epoca i due inventori erano alla ricerca di un investitore che gli permettesse di completare la fase di Ricerca e Sviluppo per poi avviare una produzione in serie del prodotto e/o di qualche sua applicazione.

In realtà, l’attenzione non è affatto mancata per quest’invenzione, validata anche da un noto fisico italiano e testata perfino dall’IMEM-CNR, l’Istituto Materiali per Elettronica e Magnetismo di Parma del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Perfino la coreana Samsung si è interessata al generatore di Franceschini-Giardina, ma i due inventori volevano sviluppare l’invenzione nel proprio Paese, per cui hanno declinato molte offerte giunte dall’estero, come ad esempio dalla Germania e dalla Cina.

Ermanno e Stefano presentano l’invenzione alla RAI da Magalli. (fonte: Telereggio)

Nella sua essenza, il generatore a stato solido di Franceschini-Giardina è facilmente testabile perché – come avviene anche negli altri due dispositivi di questo tipo che illustreremo in un altro articolo – mantiene tra i suoi capi una differenza di potenziale stabile nel tempo. Se quindi si misura la tensione ai capi della cella a circuito aperto e poi si cortorcuitano i due estremi ad es. per 2 ore, la cella non si scarica, come avverrebbe invece con una qualsiasi pila o batteria: la tensione ai capi è ancora identica!

L’energia ricevuta da una qualche fonte esterna (sulla cui natura ci soffermeremo in un altro articolo) separa cariche positive e cariche negative nella cella inventata da Franceschini, creando così una tensione ai due estremi della cella. Questa tensione può venire facilmente misurata con un comune multimetro da pochi euro. Inoltre, le celle possono venire collegate in parallelo fra loro per aumentare la corrente prodotta, o in serie, per aumentare la tensione ai capi del generatore a stato solido.

Come spiegato da Franceschini in un’intervista a Il Resto del Carlino, la cella consiste in due poli positivi e uno negativo (in realtà ne esiste una versione iniziale più semplice, con solo un polo positivo e uno negativo, ndr), che formano un “sandwich” al cui interno si trova un composto che, come vedremo, è fatto da microscopici cristalli di quarzo e polvere di grafite. “Uno dei prossimi obiettivi” – svela Franceschini – “è creare un drone che possa volare per 24 o 48 ore di seguito con la mia batteria”.

Un estratto dell’intervista citata nel testo. (fonte: Il Resto del Carlino)

Come realizzare il generatore a stato solido

Possiamo trovare facilmente le informazioni su come realizzare il generatore a stato solido di Franceschini-Giardina nel relativo Brevetto n°1417870 concesso il 4 settembre 2015 – dal titolo “Dispositivo di generazione di una differenza di potenziale elettrico” – di cui chiunque può richiedere una copia tramite il portale online dell’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi (UIBM) o la Camera di Commercio, dato che il periodo di riservatezza stabilito per legge è di 18 mesi dalla data di deposito (31/5/2013).

Un aspetto di solito non considerato pienamente, né ben capito da molti, è che i brevetti hanno anche lo scopo di aiutare il progresso della tecnologia mediante la divulgazione del loro contenuto. Un brevetto può essere inteso come un contratto tra l’inventore e il pubblico: l’inventore acquisisce, attraverso il brevetto, i diritti esclusivi connessi allo sfruttamento di un’invenzione per un certo numero di anni e per i paesi selezionati e, in cambio, rivela la propria invenzione, aggiungendo un tassello allo stato dell’arte.

È evidentemente funzione principale del brevetto proteggere ed incentivare le invenzioni industriali attraverso la creazione di un monopolio legale, assoluto ma temporaneo (e geograficamente limitato ai Paesi per i quali è concesso), di sfruttamento economico e di commercializzazione dell’invenzione: tale significativo vantaggio è controbilanciato dalla pubblicità del contenuto del trovato, la cui diffusione dovrebbe incrementare ogni ulteriore e conseguente potenziamento innovativo.

Il brevetto rilasciato per l’Italia dall’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi. (fonte: UIBM)

Nel seguito, spiegherò perciò in parole semplici allo scienziato dilettante quel che nel brevetto in questione è illustrato con il tipico e piuttosto pesante linguaggio brevettuale. Comincio con il dire che i due componenti principali della cella elementare che compone il generatore a stato solido sono il quarzo, o biossido di silicio (SiO2), e la grafite, che vanno mescolati fra loro e con una sostanza collante (che ha principalmente la funzione di tenere insieme il composto e rendere quindi la cella maneggiabile e flessibile).

Esistono due possibili modi di implementazione della cella del generatore a stato solido: uno consistente in due conduttori metallici fatti di metalli preferibilmente diversi (indicati, rispettivamente, con “2” e “3”), al cui interno è posto il composto di cui sopra (indicato con “4”); l’altro consistente in tre conduttori metallici, di cui i due esterni composti dello stesso metallo e quello interno di un metallo diverso, con gli spazi fra i conduttori metallici riempiti, al solito, con il composto di quarzo e grafite mescolati fra loro.

Mia schematizzazione delle due possibili implementazioni del GSS di Franceschini-Giardina. La cella è vista di profilo e ricorda una pila (che ha due elettrodi e un elettrolita nel mezzo).

Come metalli, consiglio inizialmente di usare alluminio per uno strato-elettrodo (ad esempio, sotto forma di un foglio di carta stagnola) e rame per l’altro strato-elettrodo, oppure si può usare l’alluminio per ambedue gli strati-elettrodi, giacché con entrambe queste due coppie la tensione di cella è massima. È possibile usare altre combinazioni di metalli, ma in tal caso la tensione di cella risulterà quasi certamente (e spesso di moltissimo) inferiore.

La polvere micrometrica di quarzo usata è il comune quarzo minerale con una struttura cristallina, ridotto in polvere dai due inventori con l’aiuto di un mortaio. L’altro materiale in polvere può essere la grafite, ridotta in dimensioni micrometriche con lo stesso metodo, oppure il grafene, che sono entrambi elettricamente conduttori, una proprietà indispensabile per il funzionamento della cella. Pertanto, anche il miscuglio delle due polveri è un composto di polvere di dimensioni micrometriche.

Il rapporto in peso fra quarzo e grafite/grafene nel composto “4” è nell’intervallo 1-50% (preferibilmente, nell’intervallo 10-30%), perciò circa 1/5 in peso sarà quarzo e circa 4/5 sarà grafite/grafene. Pertanto, sarà utile pesare le quantità relative con una piccola bilancia digitale. Se la quantità di grafite/grafene è troppo elevata, si riduce l’intensità di corrente, poiché vi sono meno granellini di quarzo; mentre se è troppo bassa, si riduce la vita del generatore, che altrimenti può essere di almeno 5 anni.

Un paio di economiche bilance di discreta precisione in vendita su Internet.

Si noti che in una versione più “evoluta” – verosimilmente successiva – della cella, al fine di amalgamare i componenti del composto “4”, viene usata una sostanza collante, che potrebbe essere una colla polimerica. Eventualmente, per la preparazione del composto “4” potrebbe essere aggiunto anche del comune alcool etilico denaturato (CH3CH2OH). Non ne è noto il motivo: forse per essere sigillato dentro; o, magari, per degassare il composto tramite evaporazione e/o combustione dell’alcool stesso.

Nella soluzione costruttiva in cui il composto “4” è stratificato, ogni strato ha uno spessore esiguo, inferiore a 5 mm. Il composto “4” è avvolto da un involucro per limitare il contatto con l’aria, che può essere uno strato di collante, che circonda il composto stesso: ad es. colla a caldo, resine, etc. Nella cella “preferita”, il composto “4” (quarzo + grafite/grafene) rappresenta più del 90% in peso del totale “composto + colla + alcool”, ovvero le percentuali dei componenti sul peso totale sono:

Composizione della cella “preferita” come si deduce dal brevetto.

Infine, secondo il brevetto, la quantità del collante dovrebbe essere, preferibilmente, inferiore al 5% in peso del composto “4”, pertanto – tenendo conto del rapporto in peso, illustrato in precedenza, fra quarzo e grafite/grafene – alla fine si hanno le seguenti percentuali “ideali” in peso dei vari componenti sul peso totale “composto + collante”, ovvero sul peso totale della cella esclusi solo gli elettrodi metallici:

Composizione della cella “preferita” come si deduce dal brevetto se si usa l’alcool.

Composizione della cella come si deduce dal brevetto se invece NON si usa l’alcool.

Come creare una batteria auto-ricaricabile

Naturalmente, il processo appena descritto può essere eseguito artigianalmente. Come accennato, i due inventori frantumano in polvere il quarzo e la grafite delle mine Faber-Castell tramite un mortaio (ma si potrebbe tentare di acquistare le polveri già pronte). Un passo successivo fondamentale per il buon funzionamento della cella è la forte pressatura del composto “4”, ben miscelato, una volta realizzato con esso lo strato che va a comporre la parte centrale del “sandwich” elettrodo(+)-composto-elettrodo(-).

Immagino che i due inventori all’inizio non abbiano usato né colla né alcool, per cui realizzerei una prima versione semplificata della cella del generatore a stato solido ponendo su un tavolo un rettangolo di carta stagnola, adagiando su di esso uno strato uniforme (spesso ad es. 0,5-2 mm) del composto “4”, ricoprendolo poi con il lato in rame di una basetta in vetronite per circuiti stampati e, infine, pressando con molta forza la basetta. Ai capi dei due elettrodi, collegati a un multimetro, si dovrebbe osservare una tensione.

Il monitoraggio nel tempo, effettuato da uno scienziato dilettante, della tensione prodotta dalla cella del Generatore a Stato Solido illustrato in questo articolo.

Ovviamente, dato che queste celle sono stratificate artigianalmente, la tensione ai capi (in genere dell’ordine di 0,4-0,8 V) risulta un po’ più alta o un po’ più bassa da una cella all’altra perfino quando si cerca di crearle tutte uguali, quindi non aspettatevi di ottenere al primo colpo la stessa tensione che vedete nei prototipi di Franceschini-Giardina, dato che non conosciamo lo spessore della loro cella elementare tipo. Inoltre, è verosimile che anche dei parametri relativi alle polveri abbiano un’influenza sulla tensione di cella.

La cella si carica come un condensatore, ma fornisce corrente elettrica come una batteria. La corrente generata da una singola cella è minima, ma possiamo aumentarla non solo collegando più celle in parallelo bensì, soprattutto, collegandola in parallelo a una o più batterie al nichel metal-idruro (NiMH), che – a differenza, ad esempio, di quelle agli ioni di litio e di quelle al litio polimero – non necessitano di un controller o di un circuito elettronico speciale per la loro ricarica.

Un semplice esempio di batteria auto-ricaricabile composta da alcune celle a Stato Solido di Franceschini-Giardina collegate in serie e da un paio di pile NiMH.

Questa batteria auto-ricaricabile ci darà una piacevole “sorpresa”. Infatti, il generatore di Franceschini-Giardina ha due interessanti proprietà: (1) se si taglia in due il “sandwich”, la corrente raddoppia mentre la tensione rimane costante; (2) quando il generatore è collegato a una batteria NiMH (come nella loro lampada OLED), la corrente prodotta è molto maggiore. Perciò, i test sulle potenzialità di quest’invenzione vanno fatti non tanto sul generatore quanto sull’intera batteria auto-ricaricabile.

Se con le celle di Franceschini-Giardina poste in serie fra loro raggiungete una tensione di circa 5 V, potete inviare questa tensione (ricordatevi di inserire il diodo!) all’alimentazione di un cellulare – cioè al posto del suo normale alimentatore – in buona analogia con quanto abbiamo fatto con i trasduttori elettrostatici negli articoli Come ricaricare una batteria camminando e Alcune idee per la raccolta della piezolettricità, di cui consiglio la lettura. Non collegate mai, invece, le celle direttamente a una batteria al litio “sfusa”.

Naturalmente, non dovete aspettarvi di ottenere grandi potenze elettriche al primo tentativo di costruzione. Inizialmente, la cella di Franceschini produceva solo una corrente bassissima e insieme con il suo collega e amico ha lavorato per quattro anni per riuscire a ottimizzarla nel tempo libero, provando a variare materiali, parametri, geometrie, etc. E probabilmente vi sono ancora margini per ulteriori perfezionamenti, anche alla luce del possibile princìpio di funzionamento, che illustrerò in un altro articolo.

Il presente articolo – così come quello in cui propongo la probabile spiegazione del funzionamento di tale tipo di celle – è dedicato ai due generosi e lungimiranti inventori, che ringrazio per la potenziale opportunità offerta all’umanità di sconfiggere, a un tempo, il problema del “picco del petrolio” e quello del micidiale inquinamento legato all’uso di fonti fossili. Perciò auguro loro, di cuore, la miglior fortuna!

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