Traduzione a cura di Francesco Manghi 

I ricercatori dell’Idaho National Laboratory, insieme con i partner a Microcontinuum Inc. (Cambridge, MA) e Patrick Pinhero dell’Università del Missouri, stanno sviluppando un nuovo modo per raccogliere l’energia dal sole con una tecnologia che potrebbe costare pochi centesimi al metro, essere stampato su materiali flessibili e ancora trarre energia anche dopo il tramonto del sole.
Il nuovo approccio, che ha ottenuto due premi Nano50 2007, utilizza un processo di fabbricazione speciale per stampare piccoli anelli di metallo conduttori dentro a un foglio di plastica. Ogni “nanoantenna” è larga come 1/25 del diametro di un capello umano.
A causa delle loro dimensioni, le nanoantenne sono in grado di assorbire energia nella parte infrarossa dello spettro, appena fuori della gamma del visibile dall’occhio umano. Il sole irradia molta energia infrarossa, parte della quale è assorbita dalla terra e poi rilasciata come radiazione per ore dopo il tramonto. Le nanoantenne sono in grado di assorbire energia sia dalla luce solare che dal calore della terra, con una maggiore efficienza rispetto alle celle solari.
“Penso che queste antenne abbiano davvero il potenziale per sostituire i tradizionali pannelli solari”, dice il fisico Steven Novack, che ha parlato della tecnologia nel mese di novembre durante la Conferenza Nazionale di Nanoingegneria a Boston.
Prendendo antenne a livello atomico, i minuscoli circuiti assorbono energia proprio come l’antenna del televisore o del telefono cellulare. Tutte le antenne funzionano per risonanza, lo stesso fenomeno fisico auto-rinforzante che permette a una nota alta a frantumare il vetro. Le antenne delle radio e delle televisioni devono essere grandi a causa della lunghezza d’onda dell’energia che hanno bisogno per intercettare. In teoria, facendo antenne in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica più vicina a quella che possiamo vedere è semplice: basta progettare un’antenna più piccola.

Ma trovare un modo efficace per stampare le matrici in scala atomica ha impegnato i ricercatori per un certo numero di anni. “Non è che questo concetto sia nuovo,” afferma Novack, “ma il boom nel campo delle nanotecnologie è quello che ha davvero reso possibile tutto questo.” Il team INL prevede che le antenne possano un giorno essere prodotte come un foglio o pellicola trasparente su macchine a rulli. Fino ad ora hanno testato un processo di imprinting con timbri circolari da sei pollici, ciascuno in possesso di oltre 10 milioni di antenne.
Non è stato immediatamente evidente quali strutture potessero essere utilizzate per l’energia solare. In un primo momento, i ricercatori hanno considerato l’accoppiamento tra antenne tradizionali e celle solari, per rendere queste ultime più efficienti. “Poi abbiamo pensato di ripartire da zero”, dice Novack. “Ci siamo resi conto che avremmo potuto rendere le antenne macchine per la raccolta energetica.”

Un’alternativa economica.

I pannelli solari commerciali solitamente sono in grado di convertire meno del 20% dell’ energia utilizzabile che li colpisce per trasformarla in energia elettrica. Ogni cella è fatto di silicio drogato con elementi diversi per aumentarne l’efficienza. “L’offerta di silicio trasformato è ridotta, e diventa sempre più costoso”, dice Novack.
Spera che lenanoantenne solari siano un’alternativa più efficiente e sostenibile.
Il team stima che le singole nanoantenne siano in grado di assorbire circa l’80% dell’energia disponibile. Gli stessi circuiti possono essere realizzati in una serie di diversi metalli conduttori, e le nanoantenne possono essere stampate su materiali sottili e flessibili come il polietilene, una plastica che è comunemente usata per i sacchetti di plastica e gli involucri. In effetti, la squadra all’inizio ha stampato antenne su sacchetti di plastica utilizzati per consegnare il Wall Street Journal, solo perché avevano il giusto spessore.
Focalizzando l’attenzione su materiali facilmente reperibili e la produzione rapida dall’inizio, dice Novack, l’obiettivo è quello di rendere i fogli di nanoantenne commerciabili a un prezzo basso, come un tappeto poco costoso.

Messa a punto di strutture sottili.

Il ricercatore Steven Novack mostra un foglio plastico di nanoantenne. Ogni quadrato ne contiene circa 260 milioni. Solitamente nella ricerca e sviluppo della nanotecnologia i prototipi vengono realizzati nella scala del centimetro, ma questo processo di manifattura brevettato dimostra come le caratteristiche in nano-scala del progetto possano essere riprodotte su grandi volumi.

Il vero trucco per creare i pannelli solari a nanoantenne è quello di essere in grado di prevedere le loro proprietà e perfezionare il loro design prima di stamparle in fabbrica. Mentre è relativamente facile da risolvere la fisica di una antenna risonante, complesse interazioni iniziano ad accadere quando si combinano più antenne. Quando sono colpite con la giusta frequenza di luce infrarossa, le antenne producono campi elettromagnetici ad alta energia che possono avere effetti inattesi sui materiali.
Così i ricercatori stanno sviluppando un modello al computer di risonanza nelle piccole strutture, alla ricerca di modi per ottimizzare l’efficienza di un intero array modificando fattori come i materiali e la forma dell’antenna. “La capacità di modellare queste antenne è quello che puù garantirci il successo, perché non possiamo vedere queste cose”, dice Novack. “Sono difficili da manipolare, e piccole modifiche possono comportare grandi differenze.”

Un futuro carico.

Un serie di anelli di nanoantenne, impressa su plastica e ripresa con un microscopio elettronico a scansione. Il filo impiegato è spesso circa 200 nanometri.

Un giorno, secondo Novack, questi collettori a nanoantenne potrebbero caricare batterie portatili, coprire i tetti delle case e, forse, anche essere integrati inei tessuti di poliestere. Pannelli bifoderati potrebbero assorbire un ampio spettro di energia dal sole durante il giorno, mentre l’altro lato può essere progettato per assorbire la frequenza minore di energia prodotta dal calore irradiato della terra.
Mentre le nanoantenne possono essere facilmente lavorate, una parte cruciale del processo deve ancora essere pienamente sviluppato: la creazione di un modo per memorizzare o trasmettere l’elettricità. Sebbene raggi infrarossi possano creare una corrente alternata nella nanoantenna, la frequenza della corrente attuale và avanti e indietro 10.000 miliardi di volte al secondo. E ‘troppo veloce per gli elettrodomestici, che operano sulle correnti che oscillano solo 60 volte al secondo. Così il team sta studiando un modo per rallentare il ciclo, eventualmente inserendo dispositivi di conversione dell’energia come piccoli condensatori direttamente nella struttura dell’ antenna come parte del processo di stampa delle stesse.

I ricercatori INL Dale Kotter (a sinistra), Steven Novack, e Judy Partin stanno sviluppando fogli di plastica flessibili di nanoantenne per raccogliere l’energia solare.

“A questo punto, queste antenne sono utili a catturare l’energia, ma non sono capaci di convertirla”, dice INL ingegnere Dale Kotter, “ma c’è una ricerca esplorativa molto promettente in corso.” Kotter e Novack stanno anche studiando un modo per trasformare l’alta frequenza di corrente alternata (AC) in corrente continua (DC), che può essere immagazzinata in batterie. Una possibilità è di creare antenne con una forma a spirale e introdurre raddrizzatori ad alta velocità o diodi speciali, al fine di convertire l’energia elettrica da AC a DC. Il team ha richiesto il brevetto su una varietà potenziale di metodi di conversione di energia. Siamo a soli pochi anni di distanza dalla creazione di una nuova generazione di collettori di energia solare.

Fonti:  inlportal

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