Il calore in eccesso dei dispositivi elettronici o meccanici è segno o causa di prestazioni inefficienti. In molti casi, i sensori incorporati per monitorare il flusso di calore potrebbero aiutare gli ingegneri a modificare il comportamento o il design dei dispositivi per migliorarne l’efficienza. Per la prima volta, i ricercatori sfruttano un nuovo fenomeno termoelettrico per costruire un sensore sottile in grado di visualizzare il flusso di calore in tempo reale. Il sensore potrebbe essere costruito in profondità all’interno di dispositivi dove altri tipi di sensori non sono pratici. È anche veloce, economico e facile da produrre utilizzando metodi consolidati.
Fare film. La tecnica di produzione di deposizione sputter roll-to-roll è ben consolidata e può creare pellicole mordenzabili in grandi quantità per l’uso in ambienti commerciali. Credito immagine: Tanaka et al. CC-BY-ND
Secondo la legge di conservazione dell’energia, l’energia non viene mai creata o distrutta ma solo cambia forma dall’una all’altra a seconda dell’interazione tra le entità coinvolte. Tutta l’energia finisce per trasformarsi in calore. Per noi può essere una cosa utile, ad esempio, quando vogliamo riscaldare le nostre case in inverno; o dannoso, quando vogliamo raffreddare qualcosa o ottenere il massimo da un’applicazione a batteria. In ogni caso, meglio riusciamo a gestire il comportamento termico di un dispositivo, meglio possiamo progettare intorno a questo effetto inevitabile e migliorare l’efficienza del dispositivo in questione. Tuttavia, questo è più facile a dirsi che a farsi, poiché sapere come il calore scorre all’interno di un dispositivo complesso, miniaturizzato o pericoloso è qualcosa che va dal difficile all’impossibile, a seconda dell’applicazione.
Ispirati da questo problema, il professore associato del progetto Tomoya Higo e il professor Satoru Nakatsuji del Dipartimento di fisica dell’Università di Tokyo e il loro team, che comprendeva una partnership aziendale, si sono proposti di trovare una soluzione. “La quantità di calore condotta attraverso un materiale è nota come flusso di calore. Trovare nuovi modi per misurarlo potrebbe non solo aiutare a migliorare l’efficienza del dispositivo, ma anche la sicurezza, poiché le batterie con una gestione termica scadente possono essere pericolose, e persino la salute, poiché vari problemi di salute o stile di vita possono essere correlati al calore corporeo “, ha affermato Higo. “Ma trovare una tecnologia di sensori per misurare il flusso di calore, soddisfacendo anche una serie di altre condizioni, come robustezza, efficienza dei costi, facilità di produzione e così via, non è facile. I tipici dispositivi a diodi termici sono relativamente grandi e forniscono solo un valore per la temperatura in un’area specifica, piuttosto che un’immagine, del flusso di calore attraverso un’intera superficie.
Fare tracce. Incidendo i circuiti secondo uno speciale schema alternato, si riducono gli effetti indesiderati che altrimenti impedirebbero la capacità dei circuiti di produrre dati utilizzabili. Credito immagine: Tanaka et al. CC-BY-ND
Il team ha esplorato il modo in cui si comporta un sensore di flusso di calore costituito da determinati materiali ed elettrodi magnetici speciali quando sono presenti modelli complessi di flusso di calore. Il materiale magnetico a base di ferro e gallio presenta un fenomeno noto come effetto anomalo di Nernst (ANE), in cui l’energia termica viene insolitamente convertita in un segnale elettrico. Tuttavia, questo non è l’unico effetto magnetico che può trasformare il calore in energia. C’è anche l’effetto Seebeck, che può effettivamente creare più energia elettrica, ma richiede una grande massa di materiale, e i materiali sono fragili così difficili da lavorare. ANE, d’altra parte, ha permesso al team di progettare il proprio dispositivo su un foglio di plastica incredibilmente sottile e malleabile.
“Trovando i giusti materiali magnetici ed elettrodi e poi applicandoli in uno speciale schema ripetuto, abbiamo creato circuiti elettronici microscopici che sono flessibili, robusti, economici e facili da produrre, e soprattutto sono molto bravi a produrre dati sul flusso di calore in tempo reale “, ha affermato Higo. “Il nostro metodo prevede l’arrotolamento di un sottile foglio di plastica PET trasparente, resistente e leggera come strato di base, con materiali magnetici ed elettrodi spruzzati su di esso in strati sottili e coerenti. Quindi incidiamo i nostri modelli desiderati nel film risultante, in modo simile a come vengono realizzati i circuiti elettronici.
Il team ha progettato i circuiti in un modo particolare per potenziare l’ANE sopprimendo al tempo stesso l’effetto Seebeck, poiché questo interferisce effettivamente con il potenziale di raccolta dei dati dell’ANE. I precedenti tentativi di farlo non hanno avuto successo in alcun modo che potesse essere facilmente ampliato e potenzialmente commercializzato, rendendo questo sensore il primo del suo genere.
“Immagino di vedere applicazioni a valle come la generazione di energia o i data center, dove il calore ostacola l’efficienza. Ma man mano che il mondo diventa più automatizzato, potremmo vedere questo tipo di sensori in ambienti di produzione automatizzati dove potrebbero migliorare la nostra capacità di prevedere guasti delle macchine, alcuni problemi di sicurezza e altro ancora”, ha affermato Nakatsuji. “Con ulteriori sviluppi, potremmo persino vedere applicazioni mediche interne per aiutare i medici a produrre mappe di calore interne di aree specifiche del corpo, o organi, per aiutare nell’imaging e nella diagnosi”.
Fonte: Università di Tokio
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
