Energia pulita e illimitata dall’umidità dell’aria

Un team di ingegneri presso l’Università del Massachusetts Amherst ha dimostrato di recente che praticamente qualsiasi materiale può essere trasformato in un dispositivo in grado di raccogliere continuamente elettricità dall’umidità presente nell’aria. Il segreto sta nel riuscire a perforare il materiale con nanopori di diametro inferiore ai 100 nanometri. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Advanced Materials.

“È molto emozionante. Stiamo aprendo una grande opportunità per raccogliere energia pulita dall’aria rarefatta”. Afferma Xiaomeng Liu, studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica presso il College di Ingegneria dell’UMass Amherst e primo autore dell’articolo.

“L’aria contiene una quantità enorme di elettricità. Pensate a una nuvola, che non è altro che una massa di gocce d’acqua. Ogni goccia contiene una carica e, quando le condizioni sono favorevoli, la nuvola può generare un fulmine. Ma non sappiamo come catturare l’elettricità in modo affidabile dai fulmini. Quello che abbiamo fatto è creare una nuvola artificiale su piccola scala che produce elettricità per noi in modo prevedibile e continuo in modo da poterla raccogliere”. Afferma Jun Yao, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso il College di Ingegneria dell’UMass Amherst e autore senior dell’articolo.

Il cuore di questa nuvola artificiale è ciò che Yao e i suoi colleghi chiamano “generic Air-gen effect”. Si basa su un lavoro precedente completato nel 2020 da Yao e dal coautore Derek Lovley, professore di microbiologia presso l’UMass Amherst, che ha dimostrato come l’elettricità potesse essere continuamente raccolta dall’aria utilizzando un materiale specializzato composto da nanofili proteici cresciuti dal batterio Geobacter sulfurreducens.

“Ciò che abbiamo scoperto dopo la scoperta di Geobacter è che la capacità di generare elettricità dall’aria – ciò che abbiamo chiamato l’effetto ‘Air-gen’ – si rivela essere generica. Praticamente qualsiasi tipo di materiale può raccogliere elettricità dall’aria, purché abbia una determinata proprietà”. Spiega Yao.

Quale proprietà? “Deve avere pori più piccoli di 100 nanometri, ovvero meno di un millesimo della larghezza di un capello umano”.

Ciò è dovuto a un parametro noto come “cammino libero medio”. Rappresenta la distanza che una singola molecola di una sostanza, in questo caso l’acqua presente nell’aria, percorre prima di scontrarsi con un’altra molecola della stessa sostanza. Quando le molecole di acqua sono sospese nell’aria, il loro cammino libero medio è di circa 100 nm.

Yao e i suoi colleghi hanno realizzato che potevano progettare un raccoglitore di elettricità basato su questo concetto. Questo raccoglitore sarebbe composto da uno strato sottile di materiale riempito con nanopori più piccoli di 100 nm, che consentirebbero alle molecole d’acqua di passare dalla parte superiore a quella inferiore del materiale. Poiché ogni poro è così piccolo, le molecole d’acqua urterebbero facilmente il bordo del poro mentre attraversano lo strato sottile. Ciò significa che la parte superiore dello strato sarebbe bombardata da molte più molecole d’acqua cariche rispetto alla parte inferiore, creando uno squilibrio di carica simile a quello presente in una nuvola, poiché la parte superiore aumenta la sua carica rispetto alla parte inferiore. Questo creerebbe effettivamente una batteria, che funziona finché c’è umidità nell’aria.

“L’idea è semplice”, afferma Yao, “ma non è mai stata scoperta prima e apre molte possibilità”. Il raccoglitore potrebbe essere realizzato con praticamente qualsiasi tipo di materiale. Offrendo così una vasta scelta per realizzazioni convenienti dal punto di vista economico e adattabili all’ambiente. “Potremmo immaginare raccoglitori realizzati con un tipo di materiale per ambienti tropicali e un altro per regioni più aride”.

E poiché l’umidità è sempre presente, il raccoglitore funzionerebbe 24 ore su 24, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche, di giorno e di notte, a prescindere dalla presenza o assenza di vento. Risolvendo quindi uno dei principali problemi delle tecnologie come l’eolica o solare, che funzionano solo in determinate condizioni.

Infine, poiché l’umidità dell’aria si diffonde nello spazio tridimensionale e lo spessore del dispositivo Air-gen è solo una frazione della larghezza di un capello umano, molti migliaia di essi possono essere impilati uno sopra l’altro, aumentando efficacemente la quantità di energia senza aumentare l’ingombro del dispositivo. Un dispositivo Air-gen del genere sarebbe in grado di fornire energia a livello di kilowatt per uso generale.

“Immagina un futuro in cui l’energia pulita sia disponibile ovunque tu vada”, afferma Yao. “L’effetto Air-gen generico significa che questo futuro può diventare realtà”.

Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation, Sony Group, Link Foundation e dall’Institute for Applied Life Sciences (IALS) presso l’Università del Massachusetts Amherst. IALS combina competenze approfondite e interdisciplinari provenienti da 29 dipartimenti presenti nel campus dell’Università del Massachusetts Amherst per tradurre la ricerca fondamentale in innovazioni che favoriscono la salute e il benessere umano.

Contatti: Jun Yao, juny@umass.edu

FONTE ARTICOLO: Engineers at UMass Amherst harvest abundant clean energy from thin air, 24/7

Leggi anche: Una nuova generazione di batterie marine

Redazione

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