Generatori a stato solido? Meglio del fotovoltaico

Diversamente da quel che pensano la maggior parte delle persone – compresi molti ingegneri ed esperti di energie rinnovabili di tipo tradizionale – esistono numerose tecnologie di free energy perfettamente funzionanti che sono in grado di fornire più energia elettrica di un pannello fotovoltaico, a parità di superficie occupata, ma senza le antipatiche fluttuazioni annuali e giornaliere nella produzione elettrica tipiche di qualsiasi sistema fotovoltaico. In questo articolo, confronteremo alcune delle principali tecnologie di free energy, iniziando a cercare delle risposte sui princìpi fisici sottostanti.

Mentre una batteria è un sistema chimico che produce elettricità come sottoprodotto di una reazione chimica, e la sua produzione elettrica è limitata dalla quantità di sostanze chimiche presenti nel sistema – che possono essere, ad esempio, elettroliti solidi (tra cui solidi inorganici cristallini e policristallini, materiali ceramici, vetri, materiali polimerici e materiali compositi) – un cosiddetto “generatore a stato solido” può, in generale, utilizzare anche diversi princìpi di funzionamento.

Un generatore a stato solido, infatti, è un generatore che utilizza un mezzo di guadagno energetico ma non ha parti mobili. I generatori a semiconduttore – un particolare tipo di generatore termoelettrico – costituiscono un tipico esempio di generatore a stato solido. Anche i pannelli fotovoltaici sono un ottimo esempio di un sistema a stato solido: i raggi solari eccitano il substrato e determinano un flusso di elettroni che crea l’elettricità. Nessuna parte in movimento è coinvolta.

Una stima della densità di energia prodotta

Il dispositivo di Manelas, costruito dall’Ing. Arthur Manelas e testato da vari scienziati, era un dispositivo “di tipo Sweet” che traeva energia dal campo magnetico oscillante generato da un magnete – opportunamente “condizionato” – di dimensioni 10 cm x 10 cm x 1 cm (=100 cm³). È stato in grado di fornire a una batteria agli ioni di litio una ricarica di circa 3,8 kWh in circa 7 giorni, pari (secondo i calcoli del fisico Brian Ahern) a una potenza media di 27 W, pari a una densità di energia di circa 270 mW/cm³.

Il dispositivo dell’Ing. Arthur Manelas, che alimentava con “free energy” la sua auto elettrica, è basato sul dispositivo inventato dall’Ing. Floyd Sweet negli anni Ottanta.

I dispositivi di Sweet, inventati e realizzati dall’Ing. Floyd Sweet negli anni Ottanta, erano generatori elettrici auto-sostentati in grado di produrre più di 1 kW di potenza in uscita a 120 V e 60 Hz di frequenza. Dato che, dalle informazioni disponibili, essi risultavano composti da uno o due magneti permanenti in ferrite auto-oscillanti delle dimensioni di 15 cm x 10 cm x 2,5 cm (= 375 cm³), la densità di potenza di un dispositivo di Sweet può essere stimata nell’ordine di 1,3-2,6 W/cm³ (cioè 5-10 volte quella di Manelas).

Nel caso del generatore a stato solido di Franceschini-Giardina, un recente test effettuato dal Politecnico di Milano su una loro cella flessibile delle dimensioni di 5 cm x 1,5 cm e spessore di 0,20 mm ha fornito (a 20 °C) una tensione a circuito aperto di 0,53 V ed una corrente nominale di 20-60 μA. Possiamo quindi stimare una potenza di 11-32 μW prodotta da un volume di 1,5 cm³. Possiamo quindi dedurne una densità di potenza dell’ordine di 7-21 μW/cm³ o, se lo spessore è di 1 mm, di 0,7-2,1 μW/cm².

La figura di un test (v. sotto), effettuato con un apposito software sul generatore di Franceschini-Giardina – e pubblicata nell’aprile 2016 su un blog – mostra che il generatore produceva circa 12 μW. Considerato che la loro cella più comune, dalle varie foto rilasciate pubblicamente, ha le dimensioni di circa 20 cm x 2 cm e uno spessore di 0,2-0,4 mm (dunque un volume di 0,8-1,6 cm³), possiamo stimare una densità di potenza di 7-15 μW/cm³, perfettamente in linea con la stima fatta per la loro cella più recente.

Il software per testare il generatore a stato solido di Franceschini-Giardina. (fonte: ermy.it)

Inoltre, in una slide pubblicata il 2 giugno 2016 sul medesimo blog, Franceschini e Giardina mostrano che la loro tecnologia produce, a parità di superficie, più energia elettrica al giorno di quella prodotta da un pannello fotovoltaico: dicono che con il loro generatore si può produrre 1,31 kWh al giorno – per un totale annuo di 478 kWh – contro i 381 kWh del fotovoltaico, ipotizzando di considerare un pannello fotovoltaico da 300 W che ha una superficie di 150 cm x 104 cm x 4 cm (cioè di 15600 cm²).

Ora, dato che, secondo quanto dichiarato da Franceschini-Giardina nella slide in questione, un modulo del loro generatore a stato solido di dimensioni equivalenti a quelli del pannello fotovoltaico da 300 W appena citato produrrebbe 54 W (ma per 24 ore al giorno), se ne deduce che esso ha una densità di energia di 54 W / 15600 cm² =  3,4 mW/cm², in ottimo accordo con la stima fatta per la lampada “Lisa”. Pertanto, la reale densità di potenza della loro tecnologia è stimabile nell’ordine di 1,7-3,4 mW/cm².

La slide di Franceschini-Giardina che confronta l’energia annua prodotta dal loro dispositivo con quella generata da un modulo fotovoltaico di dimensioni standard. Ovviamente, i kW da loro indicati nella slide sono in realtà kWh. (fonte: ermy.it)

Naturalmente ciò è possibile, da una parte, perché la cella di Franceshini-Giardina può essere usata per realizzare un multistrato – ad es. composto da parecchi strati da 200 μm di spessore, già realizzati a livello di prototipo da una start-up di cui è presidente Ermanno Franceschini – e, dall’altra, perché la loro cella ha la caratteristica di produrre più corrente quando viene collegata a una batteria, cosa che ha fatto probabilmente sottovalutare a molti l’importanza della loro invenzione.

Invece, nel caso del generatore a stato solido contenuto nell’O-Cube della Steorn, esso era in grado di ricaricare 2 batterie agli ioni di litio di un cellulare (tipicamente, da 1000 mAh, 3,7 V) al giorno, pari a un’energia fornita di 3,7 Wh x 2 = 7,4 Wh in 24 ore, e dunqua a una potenza media erogata di circa 310 mW. Ogni O-Cube conteneva 8 celle con altrettanti generatori flessibili arrotolati delle dimensioni di 3 cm x  5 cm (= 15 cm²), pari a 120 cm² totali, ovvero a una densità di energia di 2,6 mW/cm².

I sottili generatori a stato solido di Orbo, a prima vista simili a quelli di Franceschini-Giardina.

In conclusione, con tutti e tre questi 3 differenti generatori a stato solido – Sweet, Orbo e Franceschini-Giardina – è possibile produrre, in un anno, più energia di quanto sia possibile con il fotovoltaico, la cui produzione peraltro è concentrata d’estate e in poche ore del giorno, rendendo l’autoconsumo costoso e problematico. Inoltre, la cella di Franceschini-Giardina è fatta con materiali assai diffusi sulla Terra e di bassissimo costo, per cui la loro tecnologia è assai meno costosa del fotovoltaico.

Un generatore a cristalli di silicio-grafite

I generatori di Franceschini-Giardini e quello di Orbo non sono gli unici dispositivo che meritano una menzione e un approfondimento del tutto speciale. Il generatore di energia USB prodotto dalla Quanta Magnetics è un altro interessante generatore di energia “gratuita” a film sottile, costituito da cristalli di silicio e grafite.

La cella di questo generatore a stato solido – frutto di una ricerca svolta alla facoltà di ingegneria della Vanderbilt University (Tennessee, USA) e diretta dal prof. Cary Pint – è rivoluzionaria perché è sottile, piccola e flessibile e può generare circa 6,2 V senza bisogno di “carburante”. La sua fonte di energia proviene dall’ambiente, rendendolo un vero generatore di free energy. Collegando in serie una dozzina di questi film sottili, è possibile creare un dispositivo in grado di generare quasi 100 V.

Le celle del generatore a stato solido della Quanta Magnetics (a sinistra) usate per alimentare alcuni semplici dispositivi, e sul PC la tensione di uscita a 6,2 V. (da YouTube)

I condensatori differiscono dalle batterie in quanto immagazzinano gli elettroni su una superficie piuttosto che in una reazione chimica. Possono essere ricaricati migliaia di volte più spesso di una batteria e assorbire più velocemente la potenza. Se chiedi a degli esperti di creare un “supercondensatore” con il silicio, ti diranno che è un’idea pazzesca. Non a caso, la maggior parte dei condensatori di fascia alta – chiamati anche supercondensatori – sono fatti di carbonio, non di silicio.

Il silicio reagisce facilmente con altri materiali, inclusi i gas nell’aria. Ma il silicio è un materiale migliore del carbonio, perciò è usato così tanto nell’industria elettronica. Esso perciò alla base del progetto di un supercondensatore inventato da esperti in ingegneria dei materiali presso la Vanderbilt University (Pint, due studenti laureati e il loro collega post-doc Shahana Chatterjee), descritto in un documento pubblicato nel numero del 22 ottobre 2016 della rivista Scientific Reports.

Un alimentatore USB formato da 12 celle (6 in serie, in parallelo ad altre 6 in serie), da 4  batterie Li-Ion (2 in serie, in parallelo ad altre 2 in serie) e da un regolatore di tensione a 5 V. 

Essi hanno deciso di adottare un approccio radicalmente diverso: utilizzando il silicio poroso, un materiale con una nanostruttura controllabile e ben definita realizzata mediante incisione elettrochimica della superficie di un wafer di silicio. Ciò ha permesso loro di creare superfici con nanostrutture ottimali per elettrodi supercondensatori, ma ha lasciato loro un grosso problema. Il silicio è generalmente considerato inadatto per l’uso nei supercondensatori perché reagisce prontamente con alcune sostanze chimiche negli elettroliti che forniscono gli ioni che accumulano la carica elettrica.

Grazie alla propria esperienza nella coltivazione di nanostrutture di carbonio, il gruppo di Pint ha deciso di provare a rivestire la superficie di silicio poroso con carbonio. “Non avevamo idea di cosa sarebbe successo”, ha detto Pint. “In genere, i ricercatori coltivano il grafene da materiali in carburo di silicio a temperature superiori a 1400 gradi Celsius. Ma a temperature più basse – da 600 a 700 gradi Celsius – non ci aspettavamo certo una crescita di materiale simile al grafene”.

La Powercell silicio-grafite e un ingrandimento al microscopio elettronico della superficie porosa di silicio ricoperta da uno strato di grafene. (fonte: C. Pint / Vanderbilt)

La figura qui sopra mostra un’immagine presa al microscopio elettronico a trasmissione della superficie di silicio poroso rivestita con grafene, che è il cuore del generatore a wafer silicio-grafite, capace di una densità di potenza dell’ordine di 200-2000 W/kg (equivalente a 0,2-2 mW/g). Il rivestimento è costituito da uno strato sottile di 5-10 strati di grafene che riempie i pori con diametri inferiori a 2-3 nanometri e quindi non altera l’architettura su nanoscala del silicio sottostante.

Le celle sono state usate dal gruppo per realizzare due tipi di moduli Powercell: uno composto da 6 piastre, l’altro da 12, con ciascuna piastra delle dimensioni di 30 cm x 30 cm e con uno spessore di 0,5 mm. I moduli in questione, pur essendo dei prototipi sperimentali, sono in vendita nel sito www.quantamagnetics.com. Chiunque può così testare questa nuova tecnologia emergente in attesa di brevetto basata interamente su una combinazione ibrida di tecnologie esistenti con notevoli miglioramenti.

In rosso, la densità di potenza e la densità di energia delle celle silicio-grafite sviluppate dalla Quanta Magnetics. (fonte: C. Pint / Vanderbilt)

I princìpi fisici su cui potrebbero basarsi

Tutti i princìpi noti di conversione dell’energia fornita dall’ambiente in elettricità (ad esempio, fotovoltaico, termoelettrico, piezoelettrico, elettromagnetico, elettrostatico, etc.) hanno sia vantaggi che svantaggi, e la scelta della tecnologia da utilizzare per raccogliere l’energia dipende dall’applicazione che ci interessa. Ma quali principi fisici utilizzano i quattro generatori a stato solido appena illustrati?

Per quanto riguarda il dispositivo magnetico di Sweet (e quello di Manelas), data l’elevata densità di energia che lo caratterizza, l’unico princìpio fisico sottostante compatibile è, verosimilmente, l’estrazione di energia dal vuoto, cioè sfrutterebbe come fonte di energia la cosiddetta “energia di punto zero”, prevista dalla Meccanica Quantistica (si tratta infatti del più basso livello energetico possibile in un sistema quantistico, e nella teoria dei campi è sinonimo di “energia del vuoto”).

Difatti, dal famoso “principio di indeterminazione” di Heisenberg, deriva che il vuoto è permeato da un mare di fluttuazioni quantistiche che creano coppie di particelle e anti-particelle le quali si annichilano in un tempo inversamente proporzionale alla propria energia. Il contributo complessivo all’energia del vuoto risulta così diverso da zero e pari a una cistante moltiplicata per la frequenza di un generico modo di vibrazione associabile alla lunghezza d’onda materiale delle particelle virtuali.

L’esistenza di un’energia non nulla associata al vuoto è alla base dell’effetto Casimir, previsto nel 1947 e confermato sperimentalmente. Altri effetti derivanti dall’energia di punto zero sono la Forza di van der Waals, lo spostamento di Lamb-Retherford, la spiegazione dello spettro di radiazione di corpo nero di Planck, la stabilità dello stato fondamentale dell’atomo di idrogeno dal collasso radiativo, l’effetto delle cavità di inibire o aumentare l’emissione spontanea di fotoni dagli atomi eccitati, etc.

L’effetto Casimir è la forza di attrazione che si riscontra fra due piastre prive di carica, prodotta da un campo quantizzato al più basso livello energetico (energia di punto zero).

La fisica moderna può dunque permettere la possibilità teorica di prelevare quantità di energia virtualmente illimitate direttamente dallo spazio vuoto, ovvero dall’appena citata energia del vuoto. Ma affinché ciò sia in pratica possibile occorre, verosimilmente, indurre una coerenza in questa energia. Le teorie sull’auto-organizzazione dei sistemi aprono non solo la possibilità di indurre tale coerenza, ma forniscono anche i princìpi sottostanti su come essa può essere ottenuta.

Il vero nocciolo del problema è come delle fluttuazioni casuali possono diventare coerenti. Fra l’altro, qualsiasi coerenza spontanea sembra violare il Secondo principio della termodinamica, che è di solito enunciato dicendo che i sistemi evolvono verso un comportamento casuale e disordinato, non verso l’ordine e la coerenza. Questo punto è stato ampiamente affrontato da Ilia Prigogine – premio Nobel per la chimica nel 1977 – nelle sue teorie dell’auto-organizzazione di un sistema.

Egli ha definito le condizioni sotto le quali un sistema può evolvere dalla casualità verso la coerenza. Le condizioni sono che il sistema deve essere: (1) lontano dall’equilibrio; (2) non-lineare nella sua dinamica; (3) avere un flusso energetico attraverso di esso. Data la complessità dell’argomento, però, rimando chi volesse saperne di più – sulle teorie dell’auto-organizzazione e dell’energia di punto zero – alla lettura del libro Quest for Zero Point Energy: Engineering Principles for “Free Energy” Inventions.

Gli altri tre generatori a stato solido

Per quanto riguarda, invece, gli altri tre generatori a stato solido illustrati, è ragionevole supporre – per le ragioni specifiche che vedremo, oltre che per l’intervallo di energia prodotta in cui si collocano – che l’energia sia fornita da moti vibrazionali. Ora, tre metodi sono stati sviluppati per raccogliere energia dall’ambiente grazie al movimento vibrazionale: elettromagnetico, elettrostatico, piezolelettrico. Grazie alla miniaturizzazione, essi sono utili ad es. per alimentare dei microsistemi.

La densità di potenza elettrica ottenibile da varie fonti energetiche.

I generatori di energia elettromagnetica tipicamente generano energia quando dei conduttori, di solito sotto forma di bobine, si muovono attraverso un campo magnetico fornito da un magnete. I micro-generatori di energia elettrostatica possono usare condensatori variabili che sono polarizzati con sorgenti di tensione esterne o auto-polarizzate con materiale elettrete. La capacità del condensatore cambia con i movimenti dei suoi piatti e, di conseguenza, produce un’energia elettrica.

Infine, i dispositivi che utilizzano il paradigma piezoelettrico spesso coinvolgono fasci di sospensione flessibili realizzati o rivestiti con materiali piezoelettrici, come ad es. il piombo-zirconato di titanio (PZT). Gli elementi piezoelettrici possono deformarsi con movimenti ambientali e quindi produrre energia elettrica. È interessante notare che tutti e tre questi principi sono sfruttati da altrettanti tipi di microfoni (sebbene esistano anche microfoni basati su principi diversi, come ad es. i microfoni a carbone).

Una corrente elettrica può venire generata, tipicamente, da un campo magnetico variabile (la maggior parte dell’elettricità di rete è prodotta tramite generatori elettromagnetici bruciando combustibili fossili), da una reazione chimica (ad es. in batterie e pile), dall’effetto fotoelettrico (come nei pannelli fotovoltaici), da un effetto quanto-termico, dall’effetto triboelettrico, dall’effetto piezoelettrico o, infine, dall’influenza di un campo totalmente elettrico (come nel caso degli elettreti).

Schema di un microfono a elettrete. Il movimento della membrana influenza la capacità del condensatore, il che genera una corrente alternata nel circuito ad esso connesso.

L’effetto tribolettrico – è bene ricordarlo – è un tipo di elettrificazione da contatto, per la quale alcuni materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto per attrito con un materiale diverso. Ad esempio, lo sfregamento del vetro con della pelliccia o di un pettine di plastica attraverso i capelli può accumulare triboelettricità. La maggior parte dell’elettricità statica quotidiana è triboelettrica. La polarità e la forza delle cariche prodotte variano a seconda dei materiali e di altri fattori.

Nel caso del generatore a stato solido di Orbo, il suo inventore ha spiegato che si tratta di un generatore a elettrete, ma ciò è insufficiente a capirne il funzionamento dato che, apparentemente, non vi è nulla che modifichi meccanicamente il condensatore contenente l’elettrete generando una corrente. Nel caso del generatore a stato solido di Franceschini-Giardina, invece, sappiamo solo che usa quarzo e grafite, il che farebbe pensare a un effetto piezolettrico, ma anche qui manca la”vibrazione”!

Inoltre, la cella di Franceschini-Giardina – che non produce alcun campo magnetico né è influenzata dalla presenza di campi prodotti da magneti permanenti – è stata posta, presso il Politecnico di Torino, in una gabbia di Faraday, senza che si sia evidenziata alcuna variazione nella produzione di energia, il che permette di escludere che essa sia di fonte elettromagnetica. Inoltre, su suggerimento di alcuni esperti, nel 2012 la cella è stata inserita in un vaso di vetro a tenuta, per eseguire i seguenti test:

• Test con resistenza di carico per 48 ore. Risultato: la tensione si è stabilizzata a un 25% del valore nominale, per tornare al 100% dopo 50”dalla rimozione della resistenza;
• Test di schermatura totale del vaso con mattoni pieni, spessore 15cm. Risultato: la tensione nominale si è stabilizzata a un + 5%;
• Test eliminazione ossigeno dal vaso. Risultato: La tensione nominale è aumentata di circa +8%.
• Test contenitore di vetro scaldato con phon. Risultato: la tensione con l’alzarsi della temperatura diminuiva fino a un -30%. Al ritorno alla temperatura ambiente, risaliva alla tensione nominale. Successivi test hanno mostrato l’andamento tensione-temperatura mostrato qui sotto.

Andamento della tensione di uscita con la temperatura del GSS di Franceschini-Giardina.

Seconda parte – Come funziona un generatore a stato solido? – Clicca qui.