La scoperta: come ricavare energia dal contrasto luce-ombra

Giu 11 2020
a cura della Redazione
Ricercatori di Singapore hanno ideato un dispositivo rivoluzionario in grado di utilizzare l’effetto ottico delle ombre per la produzione di elettricità e a supporto dell’elettronica di potenza. Un concetto di “rinnovabile” senza precedenti, che aggiunge un ulteriore tassello alla transizione verso l’energia green.
La presenza del cubo di Rubik crea un contrasto di luce e ombra sul SEG, la condizione che consente di generare energia, nella fattispecie alimentando uno smart watch. (Foto da:  Royal Society of Chemistry)

energia contrasto ombra

energia contrasto ombra
La presenza del cubo di Rubik crea un contrasto di luce e ombra sul SEG, la condizione che consente di generare energia, nella fattispecie alimentando uno smart watch. (Foto da: Royal Society of Chemistry)

Il team formato dai ricercatori della National University of Singapore (NUS Materials Science and Engineering e NUS Physics) ha creato un generatore di energia basato sull’effetto ombra (shadow-effect energy generator – SEG), che utilizza il contrasto nell’illuminazione tra aree illuminate e ombreggiate per generare elettricità. In questo modo viene sfruttato l’effetto ottico delle ombre, generalmente trascurato, e vengono creati nuovi approcci alla generazione di energia verde in condizioni di illuminazione interna scarsa per l’alimentazione elettronica. I risultati della ricerca della NUS sono stati anche riportati dalla rivista “Energy & Environmental Science” della britannica Royal Society of Chemistry.

Come funziona il dispositivo

Il professor Tan Swee Ching, leader del team di ricerca, che proviene dalla NUS Materials Science and Engineering, ha spiegato: “Le ombre sono onnipresenti e spesso le diamo per scontate. Nelle convenzionali applicazioni fotovoltaiche o optoelettroniche in cui viene utilizzata una fonte di luce costante per alimentare i dispositivi, la presenza di ombre è indesiderabile, poiché deteriora le prestazioni dei dispositivi. In questo lavoro abbiamo sfruttato il contrasto di illuminazione causato dalle ombre come fonte indiretta di energia. Il contrasto nell’illuminazione induce una differenza di tensione tra l’ombra e le sezioni illuminate, con conseguente corrente elettrica. Questo nuovo concetto di raccolta di energia in presenza di ombre non ha precedenti”.

Nello specifico il generatore di energia basato sull’effetto ombra (SEG) comprende una serie di celle disposte su di una pellicola di plastica flessibile e trasparente (PET). Ogni cella SEG è una pellicola sottile d’oro (Au) posata su un wafer di silicio (Si). Così progettato, il SEG può essere fabbricato a costi inferiori rispetto alle celle solari al silicio in commercio.

Il Professor Tan Swee Ching della NUS Materials Science and Engineering, leader del team di ricerca.
Il Professor Tan Swee Ching della NUS Materials Science and Engineering, leader del team di ricerca.
Il SEG è due volte più efficace delle celle solari al silicio in commercio

Gli esperimenti di laboratorio del team di scienziati hanno dimostrato come il SEG a quattro celle sia due volte più efficace rispetto alle comuni celle solari al silicio in commercio, sotto l’effetto dello spostamento delle ombre. In particolare, hanno dimostrato come l’energia raccolta dal SEG in presenza di ombre create in condizione di illuminazione interna sia sufficiente per alimentare un orologio digitale (con tensione nominale di 1,2 Volt).

Quando l’intera cella SEG è illuminata o in ombra, la quantità di elettricità generata è molto bassa o nulla. Quando invece una parte della cella SEG è illuminata, viene rilevato un output di energia elettrica significativo. Abbiamo anche scoperto che la superficie ottimale per la generazione di elettricità è quando metà della cella SEG è illuminata e l’altra metà in ombra, in quanto ciò offre un’area sufficiente per la generazione e la raccolta della carica”, ha dichiarato il professor Andrew Wee, co-team leader proveniente dalla NUS Physics. 

Il tempo speso dal team per la concettualizzazione, lo sviluppo e il perfezionamento del dispositivo è stato di quattro mesi, e la prossima fase di ricerca prevede la sperimentazione di altri materiali, oltre all’oro, per abbassare i costi del SEG.

Un'illustrazione schematica del SEG. Il riquadro è l'immagine fotografica di una cella SEG parzialmente in ombra. (Immagine da: Rivista Energy & Environmental Science della Royal Society of Chemistry)
Un’illustrazione schematica del SEG. Il riquadro è l’immagine fotografica di una cella SEG parzialmente in ombra. (Immagine da: Rivista Energy & Environmental Science della Royal Society of Chemistry)
Le applicazioni: dalla ricarica di device elettronici ai sensori smart

I dispositivi elettronici mobili quali smartphone, smart glasses e e-watches richiedono un’alimentazione efficiente e continua. Poiché questi dispositivi vengono utilizzati sia all’interno che all’esterno, fonti di energia “indossabili” che possano sfruttare la luce ambientale potrebbero potenzialmente migliorarne la versatilità.

Infatti, per quanto le celle solari disponibili in commercio possano svolgere questo ruolo in un ambiente esterno, la loro efficienza di raccolta di energia si riduce significativamente in condizioni interne dove le ombre sono persistenti.

Per di più, oltre a raccogliere energia dalle ombre presenti nell’ambiente, la cella SEG può fungere da sensore autoalimentato per rilevare il movimento di un oggetto: quando un oggetto passa dal SEG, lancia un’ombra intermittente sul dispositivo e attiva il sensore per registrare la presenza e il movimento dell’oggetto.

In definitiva, il SEG trova applicazioni in molti scenari in cui le ombre sono create dall’uomo o altri oggetti in movimento. Con la sua efficienza in termini di semplicità e stabilità, potrebbe costituire una promettente alternativa per la generazione di energia “green” per ricaricare device elettronici a seconda delle condizioni ambientali, e come parte di un sistema di sensori smart, specialmente negli edifici.

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