Un nuovo generatore di elettricità alimentato da gocce d’acqua

Ago 07 2020
a cura della Redazione
Ricercatori della City University di Hong Kong hanno sviluppato uno strumento innovativo in grado di generare energia dalla pioggia e contribuire, in questo modo, a uno sviluppo sostenibile nel mondo.
Alcuni membri del team di ricerca della CityU: (da sinistra) Zheng Huanxi, Xu Wanghuai, il professor Wang Zuankai, il dottor Zhang Chao e lo studente di dottorato Song Yuxin. (Foto da: City University of Hong Kong)

generatore elettricità gocce acqua


generatore elettricità gocce acqua
Alcuni membri del team di ricerca della CityU: (da sinistra) Zheng Huanxi, Xu Wanghuai, il professor Wang Zuankai, il dottor Zhang Chao e lo studente di dottorato Song Yuxin. (Foto da: City University of Hong Kong)

Un gruppo di ricercatori guidato da scienziati della City University of Hong Kong (CityU) ha di recente sviluppato un generatore di elettricità basato su goccioline di acqua (droplet-based electricity generator – DEG), strutturato in modo simile a un transistor a effetto di campo (FET*) che permette un’elevata efficienza di conversione energetica e una densità di potenza istantanea aumentata di migliaia di volte rispetto alle sue controparti senza struttura FET. Uno strumento innovativo che è riuscito a generare una tensione pari 140 V da ogni goccia d’acqua.

La scoperta, che rappresenta un aiuto alla ricerca scientifica nel campo della generazione di energia idroelettrica, è stata condotta da un team formato dal professor Wang Zuankai del Dipartimento di ingegneria meccanica della CityU, dal professor Zeng Xiao Cheng dell’Università del Nebraska-Lincoln e dal professor Wang Zhong Li, Founding Director e Chief Scientist dell’Istituto di Nanoenergia e Nanosistemi dell’Accademia Cinese delle Scienze con sede a Pechino. I risultati della ricerca sono stati quindi pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature, in un articolo intitolato “A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density”.

Una nuova tecnologia

A causa delle limitazioni tecnologiche, l’energia idroelettrica, prodotta ad esempio dalle onde, dalle maree e dalle gocce di pioggia, spesso non viene convertita nel modo più efficiente. Per migliorare l’efficienza di conversione, il gruppo di scienziati di cui sopra ha trascorso due anni a sviluppare il DEG, la cui densità di potenza istantanea può raggiungere fino a 50,1 W/, migliaia di volte superiore rispetto ad altri dispositivi simili, migliorando in modo netto la conversione.

Il professor Wang ha infatti indicato quali siano i fattori cruciali per l’invenzione: le goccioline continue che incidono sul PTFE (politetrafluoroetilene, ovvero un materiale elettrete** con una carica elettrica quasi permanente, comunemente conosciuto come Teflon), forniscono un nuovo modo per l’accumulo e lo stoccaggio di densità di carica elettrica superficiale. Per di più, quando le goccioline d’acqua colpiscono continuamente la superficie del PTFE, le cariche elettriche superficiali generate si accumulano e raggiungono gradualmente una saturazione. Questa nuova scoperta ha aiutato a superare il limite della bassa densità di carica riscontrata in lavori precedenti.

La figura A è un diagramma schematico del generatore di elettricità basato su goccioline (DEG). La figura B è l'immagine ottica che mostra quattro dispositivi DEG paralleli fabbricati sul substrato di vetro. (Immagine da: City University of Hong Kong/Rivista Nature)
La figura A è un diagramma schematico del generatore di elettricità basato su goccioline (DEG). La figura B è l’immagine ottica che mostra quattro dispositivi DEG paralleli fabbricati sul substrato di vetro. (Immagine da: City University of Hong Kong/Rivista Nature)
Il funzionamento del dispositivo

Un’altra caratteristica chiave del loro design è l’insieme unico di strutture simili a un FET. Il dispositivo è costituito da un elettrodo di alluminio e un elettrodo di ossido di indio-stagno (ITO) con un film di PTFE posto su di esso. L’elettrodo PTFE/ITO è responsabile della generazione, della conservazione e dell’induzione della carica. Quando una goccia d’acqua cade, colpisce e si diffonde sulla superficie del PTFE/ITO, collega l’elettrodo di alluminio e l’elettrodo di PTFE/ITO, traducendo il sistema originale in un circuito elettrico a circuito chiuso.

In questo modo, un’alta densità di cariche superficiali può essere accumulata sul PTFE grazie all’urto continuo di goccioline.

Il professor Wang ha spiegato: “La nostra ricerca mostra che una goccia di 100 microlitri (1 microlitro = un milionesimo di litro) di acqua rilasciata da un’altezza di 15 cm può generare una differenza di potenziale pari ad almeno140 V. E l’energia generata può illuminare 100 piccole lampadine a LED.” Quindi ha aggiunto che l’umidità non influisce sull’efficienza della generazione di energia e che tanto l’acqua piovana quanto l’acqua di mare possono essere utilizzate per generare elettricità.

La ricerca si pone come obiettivo non solo quello di riuscire a raccogliere l’energia dall’acqua, ma soprattutto di dare una risposta ai problemi legati alle energie rinnovabili.

L’energia generata dalle gocce d’acqua può illuminare 100 piccole lampadine a LED.

(*) Il transistor a effetto di campo, o Field-Effect Transistor (FET), è una tipologia di transistor utilizzata nell’elettronica digitale. Il suo funzionamento si basa sulla possibilità di controllare la conduttività elettrica del dispositivo, e quindi la corrente elettrica che lo attraversa, attraverso la formazione di un campo elettrico al suo interno.

(**) Elettrete è un corpo dielettrico, ovvero un materiale che ha idealmente una conducibilità elettrica nulla, che presenta una polarizzazione propria permanente.

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