Un misterioso generatore a stato solido

In questo articolo analizzeremo come caso di studio uno dei più curiosi prodotti apparsi sul mercato negli ultimi anni: un generatore a stato solido auto-ricaricabile basato su una tecnologia innovativa. Sebbene sia stato una meteora per alcuni difetti secondari relativi all’elettronica di interfaccia fra le celle del generatore e gli altri componenti, le celle sono state testate anche da esperti indipendenti mostrando il loro comportamento del tutto peculiare, non solo rispetto ai sistemi tradizionali mobile (pile elettrochimiche, batterie, etc.), ma anche dal punto di vista della possibile fisica sottostante.

Nel 2015, la società irlandese Steorn Ltd è balzata agli onori delle cronache per l’annuncio della scoperta di una fonte di energia gratuita, pulita e costante. Il suo CEO, l’ingegner Shaun McCarthy, ha detto che la compagnia ha lavorato allo sviluppo tecnologia “Orbo”: un sistema a stato solido che produce un flusso costante di elettricità direttamente da un materiale elettrete. E ha poi messo sul mercato il primo di due prodotti auto-ricaricabili: l’Orbo PowerCube, o O-Cube (un carica-cellulari), in attesa dell’O-phone (un cellulare).

Nel frattempo, è stato fondato lo Steorn Orbo Trust e la proprietà della società è stata suddivisa al 50/50 tra gli investitori e quelli all’interno dell’azienda. Successivamente, pare che l’O-Cube – posto sul mercato a un prezzo di 1230 euro e fabbricato in Cina in 10.000 esemplari – non abbia funzionato come dichiarato a causa di problemi con il circuito elettronico che lo gestiva. Nella primavera del 2017, per la conseguente bancarotta, la Steorn ha chiuso il negozio online e liquidato i suoi beni.

Come è fatto il generatore dell’O-Cube

L’Orbo PowerCube – o O-Cube – era  già stato da poco presentato al pubblico quando, nell’Ottobre 2015, il CEO di Steorn, Shaun McCarthy, parlando in un webinar (link al video) con alcuni dei 600 investitori nella sua tecnologia, entra un po’ più in dettaglio e mostra i componenti interni che ne compongono uno.

I componenti di un prototipo dell’O-Cube. La scatola bianca grande è il generatore a stato solido contenente le “celle blu”. La scatola blu e argento è una batteria agli ioni di litio.

L’elemento critico di Orbo è il generatore a stato solido, una scatola bianca di circa 10 cm x 10 cm x 3 cm con due fili sporgenti. Il generatore in questione produce una tensione insolita, quindi è accompagnato da un regolatore che la converte a 5 V. Accanto vi è una batteria agli ioni di litio, che viene caricata dal generatore e l’unità standard dell’elettronica USB. Inoltre, Shaun ha spiegato come il PowerCube funziona per quanto riguarda la generazione di energia elettrica.

Il generatore di energia di Orbo – ovvero il cuore della batteria auto-ricaricabile – è composto da tre componenti: due metalli diversi e uno strato di gel chimico posto tra essi. I due metalli possono essere fogli, o avere “praticamente qualsiasi formato fisico”. Shaun confronta la combinazione risultante di questi componenti a una cella galvanica. Tuttavia, in una cella galvanica, l’agente chimico può erodere chimicamente gli altri componenti, mentre nel caso di Orbo è del tutto inerte.

Il processo di produzione di un generatore Orbo implica dunque la messa insieme di questi tre strati, due metalli dissimili separati da una sostanza chimica la cui formula “non è così semplice”, riscaldandoli fino a poco oltre il punto di fusione della sostanza chimica, e quindi raffreddandoli molto lentamente, il che consente al gel chimico di trattenere un campo elettrico che lo colpisce. Il risultato è che un campo elettrico permanente viene “congelato” nel materiale del gel, con poli positivi e negativi.

Questo campo elettrico polarizzato interagisce con i due metalli dissimili per generare una corrente elettrica. Il campo elettrico congelato nel materiale del gel funziona in un modo simile ai campi magnetici congelati dei magneti permanenti. Il termine per un dispositivo con questo tipo di campo elettrico congelato in maniera permanente è “elettrete”, una parola derivata da “elettrico” e “magnete”. Si tratta, in questo caso, di un esempio di tecnologia incredibilmente semplice.

Shawn mostra il processo di fabbricazione di una piccola cella auto-ricaricabile. Si notino il fornellino elettrico al centro e la sostanza chimica contenuta nel becher sulla sinistra.

Un elettrete è un materiale dielettrico stabile con una carica elettrica statica incorporata quasi permanentemente (che, a causa dell’elevata resistenza del materiale, non decadrà per periodi di tempo fino a centinaia di anni). Storicamente, gli elettreti sono stati creati dapprima fondendo un materiale dielettrico adatto come un polimero o una cera che contiene molecole polari, e quindi permettendogli di risolidificarsi mentre si trovavano in un potente campo elettrostatico”.

Shaun afferma che, quando il materiale in questione viene polarizzato nel modo giusto, “ciò che si ottiene è qualcosa che ha un polo positivo e uno negativo”. Non importa quello che gli si fa, sarà sempre polarizzato. Secondo Shaun, i primi prototipi di questo generatore sono stati costruiti all’incirca da 2 anni e stanno ancora producendo energia. Shaun aggiunge: “sappiamo che da un punto di vista teorico questi materiali manterranno un campo elettrico per circa 800 anni”.

Shaun spiega che la sfida principale è stata aumentare la densità di potenza, cioè la quantità di energia prodotta da un dato peso o volume, poiché questi tipi di generatori relativamente semplici hanno un rapporto potenza / volume orrendo: “E ciò a cui abbiamo lavorato nei due anni è stato migliorare questo aspetto, solo ingegnerizzandolo in modi diversi. Quello a cui siamo giunti è un generatore multistrato a film sottile, ottenendo negli ultimi 2 anni un aumento del 5-6% della densità di potenza”.

Shaun ha poi dimostrato il processo di combinazione delle batterie con l’agente chimico, sciogliendolo e quindi raffreddandolo. Ha precisato: “Questa è una dimostrazione davvero economica, brutta, ma il modo migliore per capire come stanno queste cose. Attualmente i generatori vengono fabbricati in Cina, utilizzando un processo molto più automatizzato e sofisticato, e l’aumento della densità di potenza è tutto basato sul processo di produzione, e può essere ulteriormente incrementato”.

Peculiarità del generatore di Orbo

Come rivelato e fatto vedere in un interessante secondo video dal CEO di Steorn in un’altra occasione, il generatore di Orbo è costituito da una piccola cella che ha una tensione a circuito aperto di 0,3-0,4 V. Ciò che lo rende peculiare è che, quando si aumenta la superficie della cella, anche la tensione a circuito aperto aumenta.

Le celle a stato solido di Orbo, che possono venire arrotolate su se stesse, sono composte da elettrodi conduttori e da uno strato intermedio con elevata resistenza elettrica.

Così, nel video mostra una versione costruita a mano dello stesso generatore, che è più lungo e arrotolato come fosse un condensatore, e fa vedere che la tensione di questo generatore – fatto semplicemente da strisce più lunghe degli stessi materiali – è di circa 2,5-2,6 volt. Ciò sarebbe un risultato inatteso per una batteria elettrochimica, dato che in genere in esse si vedono tensioni di 3,7 volt (nelle batterie agli ioni di litio), 1,2 V (in quelle nichel metal-idruro), 1,5 V (alcaline), e così via.

Shaun spiega che, se si srotolasse la striscia che costituisce il generatore e la si tagliasse a metà, troveremmo che la tensione ai capi viene ridotta. Probabilmente, l’aspetto più interessante per dimostrare che il generatore di Orbo non è una batteria tradizionale è il fatto che, se si mette in corto-circuito una batteria tradizionale per un lungo periodo di tempo, alla fine si svuota del tutto (o virtualmente quasi del tutto) dell’energia elettrochimica che è immagazzinata in essa.

Ogni volta che si mette in corto-circuito la cella di Orbo, ovviamente la tensione va a 0 V.

E così, se si mette una normala batteria in corto-circuito e la si lascia per un lungo periodo di tempo, dopodiché si rimuove il corto-circuito e se ne misura nuovamente la tensione a circuito aperto, si scopre che la tensione è o significativamente al di sotto del valore intrinseco della batteria o, se è stata lasciata in corto-circuito abbastanza a lungo, risulta comunque un po’ inferiore al valore iniziale.

Quindi, al fine di dimostrare la differenza fondamentale tra il generatore di energia di Orbo e una batteria tradizionale, ciò che occorre fare è metterla in corto-circuito collegando il terminale con il polo positivo al terminale con il polo negativo (il che porta la tensione rilevabile con uno strumento di misura a 0 V), lasciarla in corto per circa 30 minuti e infine notare che, interrotto il corto, la tensione a circuito aperto rimbalza immediatamente ai 2,5 V iniziali, come mostrato chiaramente nel video.

Interrotto il corto-circuito, la cella di Orbo ritorna alla tensione iniziale.

Se si trattasse di un semplice dispositivo che immagazzina energia, come un condensatore, è ovvio che avremmo scaricato il condensatore in questa fase, essendo passati 30 minuti in cortocircuito; mentre, se si trattasse di una cella elettrochimica tradizionale, vedremmo almeno un po’ di calo di tensione, ma in realtà probabilmente dopo 30 minuti vedremmo un calo significativo di tensione.

Ciò dimostra che, a differenza di una batteria tradizionale, Orbo è davvero una tecnologia di generazione di energia. Ogni cella produce 2,5 V e il generatore standard di Orbo è un dispositivo che produce 5 volt o poco più, composto quindi da due celle da 2,5 V in serie. Viene scelta una tensione di 5 V perché il principale mercato di riferimento per questo tipo di prodotto è l’elettronica di consumo mobile, che ha un’alimentazione a questa tensione, la stessa fornita dalle porte USB.

La porta USB dell’Orbo PowerCube, o O-Cube, di Steorn. Può erogare 2,1 A a 5 V, così da ricaricare o alimentare smartphone, tablet e altri piccoli dispositivi.

Nel caso dell’O-Cube, ad esempio, questa tensione viene usata per caricare una batteria standard agli ioni di litio tramite un regolatore. La batteria di litio fornirà quindi, tramite una porta USB a 5 V, l’energia elettrica direttamente al dispositivo che vogliamo alimentare o ricaricare. L’O-phone è identico, nel senso che nel caso del telefono vengono integrate nel telefono insieme un certo numero di celle Orbo generatrici di energia, che vanno a caricare continuamente la batteria agli ioni di litio.

In quel caso, quindi, la batteria agli ioni di litio ricaricata dalle celle inserite all’interno del prodotto stesso alimenta direttamente il telefono. Durante un ampio uso continuativo o quasi, la batteria ovviamente può arrivare a scaricarsi sotto il livello che può far funzionare il telefono. Il ricaricare completamente il condensatore può richiedere diverse ore, comunque in genere la carica sufficiente per riaccendere il telefono può venire raggiunta entro diversi minuti.

Le “celle blu”, o generatore a stato solido, nell’O-phone erano previste essere inserite all’interno del prodotto, in modo da ricaricare continuamente la batteria agli ioni di litio.

Durante l’uso estensivo, quindi, la batteria può scaricarsi, tuttavia quest’ultima viene costantemente caricata da un condensatore collegato al generatore di Orbo. Quindi, dopo un certo periodo di tempo, la batteria sarà sufficientemente ricaricata e il telefono sarà di nuovo funzionante. Essenzialmente, il telefono si ricarica da solo. Il misuratore della batteria sul telefono indica la carica nel condensatore, le cui caratteristiche di carica sono diverse da quelle di una batteria al litio.

Il generatore testato da un esperto

Il generatore di Orbo è stato accuratamente testato per mesi, a cavallo fra il 2016 e il 2017, da Greg Daigle, che ha pubblicato i risultati nel rapporto Tear-down and testing of individual O-Cube blue cells, reperibile online a questo link. Egli si è procurato un oscilloscopio digitale e altri software per fare alcune analisi delle singole “celle blu”: componenti simili a batterie, coperti di mastice, e che presumibilmente contenevano rotoli del generatore multistrato capace di auto-ricaricarsi.

L’interno di un O-Cube, contenente, oltre a due batterie ricaricabili, 4 “celle blu” intere, ciascuna delle quali composta da due celle poste in serie. (fonte: G. Daigle)

Le conclusioni riguardanti le singole celle blu raggiunte da Daigle nel suo lungo report sono che: (1) non raccolgono energia dall’ambiente (almeno non sotto forma di onde elettromagnetiche o di calore); (2) si ricaricano da sole, proprio come sostenuto dalla Steorn. Dunque, vale la pena approfondire l’analisi fatta da Daigle direttamente sulle celle – e che qui riassumerò – per cercare di capirne di più:

“La maggior parte delle persone pensano che le celle blu siano dei condensatori, ma non lo sono. Esse impiegano strutture di dominio magnetico, un po’ come dei magneti permanenti. Una cosa che volevo evitare era qualsiasi test che danneggi le strutture di dominio magnetico, distruggendo la capacità delle cellule blu di ricaricarsi. Tuttavia, durante le mie prove sulle celle, queste sono state esposte a potenti magneti al neodimio durante le letture di tensione e anche quando le ho scaricate per un massimo di 6 ore, senza distruggere la possibilità che si ricarichino automaticamente.

L’oscilloscopio con cui sono state testate le celle di Orbo integre. (fonte: G. Daigle)

La più notevole delle molte affermazioni della Steorn è stata che l’O-Cube può ricaricare spontaneamente un telefono cellulare ad esso collegato, consentendo la ricarica di due tipici telefoni cellulari al giorno. Esso ricaricherà le sue “batterie” anche quando nessun telefono cellulare è collegato. D’altra parte, sappiamo che i circuiti dell’apparecchio erano difettosi, per cui i test che ho condotto si sono concentrati esclusivamente sulle cella blu, ovvero sul generatore a stato solido.

Volevo testare se si potesse dire che le celle si ricaricano da sole e se lo fanno anche in ambienti in cui possiamo controllare ampiamente i fattori ambientali. Le prove di scarica e ricarica hanno richiesto diversi mesi, compresi alcuni test condotti all’aperto a temperature molto basse. Dopo ogni scarica manuale della cella, il suo profilo di tensione rimbalza rapidamente e raggiunge velocemente un plateau, ma con un profilo di recupero inferiore rispetto alla scarica precedente.

Il profilo di scarica (durata 1 secondo) e quello di ricarica del generatore è visibile nella figura al centro, con due ingrandimenti significativi della fase di auto-ricarica. (fonte: G. Daigle)

Tuttavia, fino a gennaio 2017, la maggior parte delle misurazioni sono state fatte al chiuso in un edificio per uffici, quindi c’era ancora la possibilità che la temperatura ambiente o l’influenza delle interferenze delle linee elettriche degli uffici potessero contribuire alla raccolta di energia. Per ridurre questa possibilità l’1/12/17 sono state prese una serie di letture sotto le seguenti condizioni:

  • Posizione: in un veicolo parcheggiato (non in funzione) in un parcheggio aperto senza linee elettriche aeree o interrate entro 60 metri di distanza, e ad almeno 30 metri di distanza dall’edificio più vicino;
  • Temperatura: temperatura esterna di -6,7 °C. Il veicolo era stato parcheggiato fuori 4 ore.

Dato che i potenti magneti al neodimio in prossimità delle celle non sembravano avere un impatto apprezzabile sulla loro auto-ricarica, ho concluso che la struttura del dominio poteva essere portata a zero attraverso altri mezzi, come uno scarica molto lunga ottenuta mettendo in corto-circuito i terminali. Una scarica così lunga presentava la possibilità che i domini del materiale potessero danneggiarsi in modo che le celle non si auto-ricaricassero più, ma era un rischio accettabile.

I risultati della scarica di sei ore della cella completa mostrano che, in questo caso, la ricarica è molto più lenta di quella che segue una scarica breve: le celle iniziano a ricaricarsi con picchi di 0,0017589 V (occorre dividere i valori riportati dall’oscilloscopio digitale per 10, poiché le sonde usate sono “x10”).

Una porzione della figura precedente che parte 3,5 secondi dopo la prima scarica e mostra un periodo di auto-ricarica del generatore di 0,15 secondi. (fonte: G. Daigle)

Indizi utili sul principio di funzionamento

Supponendo che i metodi di registrazione scartino sufficientemente la possibilità di raccolta di energia da onde elettromagnetiche o da calore, i risultati della scarica e successiva ricarica delle celle blu indicano che le affermazioni della Steorn sui materiali e sulle celle blu sono valide. Quindi le cellule stesse sembrano funzionare come pubblicizzato dalla Steorn. Tuttavia, sembra che il controllo di qualità, la fabbricazione o il design della circonferenza dell’O-Cube l’abbia portata alla sua rovina.

Il profilo di ricarica delle celle è piuttosto unico. Ho cercato di trovare in letteratura un altro profilo di ricarica che potrebbe essere simile, ed ho trovato questa interessante somiglianza (v. figura) con materiali che mostrano un Effetto Hall Quantistico (intero o frazionale). Tali materiali mostrano lo stesso tipo di stessa traccia (o molto simile) dell'”effetto ac-Josephson” nei materiali superconduttori. Questi effetti sembrano avere alcune somiglianze con i picchi e i gradini che vediamo nei grafici delle celle di Orbo.

L’andamento a gradini che ho visto riportato nei documenti sull’Effetto Hall Quantistico non mostra solo gradini regolari (probabilmente, “livelli di Landau”) ma anche alcuni picchi (spike) prima di ogni salto. La trama illustrata di seguito si riferisce alla corrente nel tempo, non alla tensione nel tempo, ma i picchi ed i gradini sono chiari. Sotto questa illustrazione c’è una traccia che ho preso dall’uscita di un cella blu intera dopo la scarica, mostrata come tensione nel tempo. Sia i picchi che i gradini sono chiari.

Il profilo di carica di materiali con Effetto Hall Quantistico (in alto) confrontato con il profilo di (auto-)ricarica della cella del generatore (HC1) di Orbo. (fonte: G. Daigle)

Ma perché vi sono così tanti picchi? Shaun in precedenza aveva menzionato “picchi” e “gradini” nei suoi post. Ora che possiamo vedere i picchi ed i gradini sembrano esserci almeno una somiglianza superficiale con le risposte nell’Effetto Hall Quantistico dei materiali. Tuttavia, ci sono delle differenze. Ogni aumento di tensione nel materiale di Orbo sembra sempre essere della stessa quantità. Lo stesso si può dire per i picchi. Il “delta” di tensione cambia solo tra le misure della mezza cella vs. quella intera. Il cambiamento non diminuisce nel tempo come nel caso del materiale con Effetto Hall Quantistico.

L’altra differenza è che i picchi del nostro materiale sono l’altezza dei gradini, mentre nel caso del materiale con Effetto Hall Quantistico i picchi sono solo una frazione dell’altezza dei gradini. Il film delle celle di Orbo potrebbe non essere così ultra-sottile come quelli dell’articolo cui ho fatto riferimento (The a.c. Josephson effect without superconductivity, 2015), ed i singoli picchi di tensione generati potrebbero rappresentare una media del “tunneling” degli elettroni e un accumulo della carica.

Ciò si ripete per molti picchi, fino a quando tutto il materiale si carica al livello successivo e viene raggiunto il successivo “livello di Landau”. Una volta che un numero di picchi sufficienti hanno caricato il materiale presente nell’aggregato, questo raggiunge il livello quantistico successivo e, dopo un periodo di tempo, la carica di nuovo si accumula con picchi dello stesso “delta” di tensione salendo verso il livello successivo. Dunque, il gradino nel grafico può rappresentare un accumulo della carica”.

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