Dai nostri passi alle nostre pressioni dei pulsanti, gli esseri umani spendono costantemente energia e i ricercatori stanno attingendo a questi movimenti per alimentare il mondo che ci circonda.
La raccolta di energia dal proprio ambiente o attività piuttosto che da una batteria o da una presa a muro ha alcuni vantaggi chiave: le fonti di energia elettrica sono libere e i dispositivi sono più mobili. Ciò è particolarmente utile per l’elettronica medica come pompe per insulina e pacemaker. Le mietitrici di energia potrebbero anche prolungare la durata della batteria in smartphone e laptop.
L’idea non è nuova. Le radio di cristallo, ad esempio, sono in circolazione dall’inizio del 20 ° secolo e non hanno bisogno di una fonte di energia dedicata, poiché spazzano l’elettricità dalle onde radio. Ma le attuali strategie di energy harvesting non sono molto efficienti e l’energia nel nostro ambiente è ampiamente diffusa, il che significa che sono necessarie luci brillanti, grandi gradienti di temperatura o lunghe passeggiate veloci per produrre una quantità apprezzabile di energia, che potrebbe ancora non essere molto.
Ora i ricercatori stanno scoprendo nuovi modi per aumentare l’efficienza del raccolto e ridurre i costi. Gli sviluppatori stanno anche facendo elettronica che utilizzano molto meno energia, in modo che un giorno il telefono può funzionare sul fruscio in tasca e qualche dito rubinetti quando si effettua una chiamata.
Al Lawrence Berkeley National Laboratory, gli scienziati hanno dimostrato un dispositivo il mese scorso che utilizza virus per tradurre la pressione in elettricità. Il dispositivo si basa sulla piezoelettricità, un fenomeno in cui una carica elettrica viene prodotta in un materiale quando viene deformata meccanicamente o sollecitata. In questo caso, il team ha utilizzato un virus M13 ingegnerizzato che in genere infetta i batteri per produrre il materiale.
Il divertimento inizia a 50 nanoamps
Il dispositivo può produrre 6 nanoamps di corrente e 400 millivolt di potenziale, circa un quarto dell’uscita di una batteria tripla-A e abbastanza per attivare brevemente un piccolo display monocromatico a cristalli liquidi con un generatore di dimensioni di un centimetro quadrato quando viene premuto. I ricercatori hanno pubblicato il loro rapporto su Nature Nanotechnology.
Ramamoorthy Ramesh, ricercatore nella divisione scienza dei materiali presso LBNL e uno dei coautori del rapporto, ha spiegato che i virus possono riprodursi e formare strutture su scala nanometrica da soli, rendendoli un’alternativa attraente a basso costo ai dispositivi piezoelettrici convenzionali, che possono utilizzare sostanze chimiche costose o tossiche. Il materiale virale può anche essere spruzzato su una superficie, potenzialmente trasformando qualsiasi parete o pavimento in una mietitrice di energia da passi e vibrazioni.
In questo momento, il generatore di virus è troppo debole per fornire alcun potere pratico, anche se i ricercatori stanno facendo miglioramenti e dicono che non sono lontani da un prodotto utile.
” Se arriviamo da 50 a 70 , allora è il momento del rock ‘n’ roll. Allora è molto divertente”, ha detto Ramesh.
Ricercatori nel Regno Unito hanno anche recentemente sviluppato un generatore piezoelettrico, una ginocchiera che scrocca gli elettroni dal camminare. Mentre il ginocchio di chi lo indossa si piega, quattro palette metalliche nel dispositivo vengono “pizzicate”, che poi vibrano come una corda di chitarra e producono elettricità.
Attualmente, il dispositivo produce circa 2 milliwatt di potenza, ma i ricercatori si aspettano di raggiungere 30 milliwatt con alcune modifiche.
Michele Pozzi, ricercatore principale del progetto e ricercatore in energy harvesting presso la School of Applied Sciences della Cranfield University, ha dichiarato in un comunicato che si aspetta che il dispositivo costi £10 per unità quando la produzione è dilagata. I risultati sono stati pubblicati all’inizio di questo mese in Smart Materials and Structures.
Ma può alimentare un televisore?
Tuttavia, anche con le mietitrici di energia sul mercato, il grande ostacolo è ottenere abbastanza elettricità utilizzabile per alimentare un sensore, una lampada o uno schermo. Ciò significa produrre più elettricità di quanto il dispositivo abbia bisogno, quindi ha abbastanza da immagazzinare e rimanere costantemente operativo.
“In alcuni casi, si può essere solo la raccolta di un microwatt o giù di lì,” ha detto David Freeman, capo tecnologo nel gruppo di soluzioni di alimentazione a Texas Instruments. “Se il tuo dispositivo richiede un microwatt, non stai facendo nulla per nessuno.”
Per Texas Instruments, la soluzione è quella di rendere i dispositivi che utilizzano meno elettricità e di rendere le mietitrici più efficienti.
“È solo negli ultimi tre, quattro o cinque anni che l’elettricità riportata è sufficiente per essere utile e l’energia dei dispositivi era abbastanza bassa per funzionare”, ha detto Freeman.
Un potenziale utilizzo per le mietitrici è la costruzione di sensori in grado di monitorare la qualità dell’aria. Gli operatori possono raccogliere in modalità wireless tali informazioni per riscaldare o raffreddare in modo efficiente i loro spazi. “L’obiettivo per la maggior parte di queste applicazioni è ‘peel-and-stick'”, ha spiegato Freeman, notando che la posizione migliore per un sensore potrebbe essere lontana da qualsiasi cablaggio elettrico. Tali luoghi possono anche essere difficili da raggiungere, quindi cambiare frequentemente una batteria sarebbe troppo scomodo, rendendoli usi ideali per le mietitrici.
A tal fine, l’azienda sta realizzando circuiti integrati e microprocessori che necessitano di molta meno energia.
“Ogni generazione utilizza meno energia rispetto alla generazione precedente”, ha detto Freeman. “Mentre continuiamo a spingere verso il basso l’alimentazione necessaria a questi dispositivi, rende il pezzo di raccolta più pratico.”
Secondo Freeman, la tecnologia di raccolta dominante sono i piccoli pannelli fotovoltaici, poiché le mietitrici vibrazionali e radio non catturano ancora abbastanza energia per far funzionare sia il sensore che il trasmettitore. La società ha recentemente realizzato un prototipo di tastiera wireless che funziona su illuminazione interna con una durata della batteria che corrisponde alla vita operativa del dispositivo, circa tre o cinque anni. Inoltre, Texas Instruments sta sviluppando sensori per monitorare attrezzature industriali e strade, dove le frequenze di movimento regolari possono essere più adatte alle mietitrici vibrazionali.
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