Un team di ingegneri dell’Università del Massachusetts Amherst ha recentemente dimostrato che quasi tutti i materiali possono essere trasformati in un dispositivo che raccoglie continuamente elettricità dall’umidità dell’aria. Il segreto sta nel riuscire a pepare il materiale con nanopori di diametro inferiore a 100 nanometri. La ricerca è apparsa sulla rivista Materiale avanzato.
“Questo è molto eccitante”, afferma Xiaomeng Liu, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica presso il College of Engineering di UMass Amherst e autore principale del documento. “Stiamo aprendo un’ampia porta per la raccolta di elettricità pulita dal nulla”.
“L’aria contiene un’enorme quantità di elettricità”, afferma Jun Yao, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso il College of Engineering dell’UMass Amherst e autore senior del documento. “Pensa a una nuvola, che non è altro che una massa di goccioline d’acqua. Ognuna di queste goccioline contiene una carica e, quando le condizioni sono giuste, la nuvola può produrre un fulmine, ma non sappiamo come catturare in modo affidabile elettricità dai fulmini. Quello che abbiamo fatto è creare una nuvola su piccola scala costruita dall’uomo che produce elettricità per noi in modo prevedibile e continuo in modo che possiamo raccoglierla”.
Il cuore della nuvola creata dall’uomo dipende da quello che Yao e i suoi colleghi chiamano “effetto generico Air-gen” e si basa sul lavoro che Yao e il coautore Derek Lovley, Distinguished Professor of Microbiology presso UMass Amherst, avevano precedentemente completato nel 2020 dimostrando che l’elettricità potrebbe essere continuamente raccolta dall’aria utilizzando un materiale specializzato costituito da nanofili proteici cresciuti dal batterio Geobacter sulfurreducens.
“Ciò che abbiamo realizzato dopo aver realizzato il Geobacter scoperta”, dice Yao, “è che la capacità di generare elettricità dall’aria – quello che allora chiamavamo ‘effetto Air-gen’ – risulta essere generica: letteralmente Qualunque tipo di materiale può raccogliere elettricità dall’aria, purché abbia una certa proprietà.”
Quella proprietà? “Deve avere fori più piccoli di 100 nanometri (nm), o meno di un millesimo della larghezza di un capello umano”.
Ciò è dovuto a un parametro noto come “mean free path”, la distanza che una singola molecola di una sostanza, in questo caso l’acqua nell’aria, percorre prima di urtare un’altra singola molecola della stessa sostanza. Quando le molecole d’acqua sono sospese nell’aria, il loro percorso libero medio è di circa 100 nm.
Yao e i suoi colleghi si sono resi conto di poter progettare un raccoglitore di elettricità basato su questo numero. Questo mietitore sarebbe costituito da un sottile strato di materiale riempito con nanopori inferiori a 100 nm che lascerebbero passare le molecole d’acqua dalla parte superiore a quella inferiore del materiale. Ma poiché ogni poro è così piccolo, le molecole d’acqua urterebbero facilmente contro il bordo del poro mentre passano attraverso lo strato sottile. Ciò significa che la parte superiore dello strato sarebbe bombardata da molte più molecole d’acqua portatrici di carica rispetto alla parte inferiore, creando uno squilibrio di carica, come quello in una nuvola, poiché la parte superiore aumentava la sua carica rispetto alla parte inferiore. Ciò creerebbe effettivamente una batteria, che funziona finché c’è umidità nell’aria.
“L’idea è semplice”, dice Yao, “ma non è mai stata scoperta prima e apre tutti i tipi di possibilità”. La mietitrice potrebbe essere progettata letteralmente da tutti i tipi di materiale, offrendo un’ampia scelta per fabbricazioni convenienti e adattabili all’ambiente. “Potresti immaginare mietitrici fatte di un tipo di materiale per gli ambienti della foresta pluviale e un altro per le regioni più aride”.
E poiché l’umidità è sempre presente, la mietitrice funzionerebbe 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con la pioggia o con il sole, di notte e indipendentemente dal vento, il che risolve uno dei principali problemi di tecnologie come l’eolico o il solare, che funzionano solo in determinate condizioni .
Infine, poiché l’umidità dell’aria si diffonde nello spazio tridimensionale e lo spessore del dispositivo Air-gen è solo una frazione della larghezza di un capello umano, molte migliaia di essi possono essere impilati uno sopra l’altro, aumentando in modo efficiente la quantità di energia senza aumentare l’ingombro del dispositivo. Un tale dispositivo Air-gen sarebbe in grado di fornire potenza a livello di kilowatt per l’utilizzo generale delle utenze elettriche.
“Immagina un mondo futuro in cui l’elettricità pulita sia disponibile ovunque tu vada”, afferma Yao. “Il generico effetto Air-gen significa che questo mondo futuro può diventare una realtà.”
Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation, dal Sony Group, dalla Link Foundation e dall’Institute for Applied Life Sciences (IALS) dell’UMass Amherst, che combina competenze approfondite e interdisciplinari di 29 dipartimenti del campus dell’UMass Amherst per tradurre la ricerca fondamentale in innovazioni che giovano alla salute e al benessere umano.
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