Dalla Danimarca la cella a combustibile in ceramica che imita le forme dei coralli e umilia il metallo

Più leggera, più potente e ispirata ai coralli: una rivoluzione per aerospazio ed energie rinnovabili che potrebbe cambiare le regole del gioco.

Un gruppo di ricercatori dell’Università Tecnica della Danimarca ha presentato una cella a combustibile in ceramica così innovativa da far sembrare la tecnologia attuale un pezzo da museo. Battezzata “The Monolith” (Cella a Ossidi Solidi Giroide Monolitica), questa creazione non solo promette di migliorare l’efficienza, ma lo fa tagliando di netto oltre il 75% del peso, dicendo addio alla pesante zavorra metallica che caratterizza i sistemi tradizionali.

Una vera e propria rivoluzione che potrebbe spalancare nuove porte in settori critici come quello aerospaziale e lo stoccaggio di energia pulita. Questa innovazione è stata presentata sulla rivista Nature.

Aspetto delle nuove celle a combustibile, da Sustainability

La rivoluzione leggera: addio ai metalli pesanti

Le celle a combustibile non sono certo una novità. Le conosciamo per il loro ruolo nei veicoli a idrogeno e come sistemi di alimentazione di emergenza per infrastrutture vitali come ospedali e data center. Il loro tallone d’Achille, però, è sempre stato lo stesso: il peso e la complessità, dovuti in gran parte all’uso di componenti metallici pesanti e guarnizioni fragili.

I ricercatori danesi hanno deciso di cambiare radicalmente approccio. The Monolith è, come suggerisce il nome, un blocco unico interamente in ceramica. Questa scelta progettuale elimina di colpo la necessità di leghe metalliche e complesse sigillature, con un risultato tanto semplice quanto geniale: una drastica riduzione del peso. Inoltre la forma è stata ottimizzata seguendo una geometria “giroide”, tipicamente seguita dai coralli.

Geometria di un giroide gaussiano

I vantaggi di questo approccio sono evidenti:

• Leggerezza Estrema: L’eliminazione dei metalli riduce il peso di oltre il 75%, un fattore determinante per applicazioni aeronautiche e spaziali, dove ogni grammo conta.
• Design Ispirato alla Natura: La sua struttura interna è un “giroide”, una superficie minima triplamente periodica che si ispira a forme naturali come i coralli. Questo design massimizza l’area superficiale con il minimo materiale, ottimizzando il flusso dei gas e la stabilità meccanica.
• Produzione Semplificata: A differenza delle celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) convenzionali, che richiedono decine di passaggi produttivi, The Monolith viene realizzato in soli cinque passaggi tramite stampa 3D. Meno passaggi significano minori costi e maggiore affidabilità.

Prestazioni da record in condizioni estreme

Ma The Monolith non è solo un bell’esercizio di stile ingegneristico. Le sue prestazioni sono, a dire poco, impressionanti. La cella ha dimostrato di poter resistere a condizioni estreme, inclusi sbalzi termici di oltre 80°C (180°F), senza subire alcun danno strutturale. Inoltre, è in grado di passare ripetutamente dalla modalità di generazione di energia a quella di stoccaggio (elettrolisi) senza degradarsi.

Quando opera in modalità elettrolisi, questa cella produce idrogeno a una velocità quasi dieci volte superiore rispetto ai modelli standard. Questa caratteristica la rende uno strumento eccezionale per i sistemi di energia rinnovabile, dove la produzione efficiente di idrogeno è la chiave per immagazzinare l’energia prodotta in eccesso da eolico e solare, stabilizzando così la rete elettrica. La sua potenza specifica, superiore a 1 watt per grammo, la rende unica nel suo genere.

Implicazioni: non solo aerei, ma un nuovo paradigma energetico

Secondo Venkata Karthik Nadimpalli, ricercatore senior e autore dello studio, The Monolith è la prima cella a combustibile a dimostrare la potenza specifica richiesta per le applicazioni aerospaziali utilizzando una tecnologia sostenibile e “verde”. Un aereo più leggero è un aereo che consuma meno, inquina meno e ha un’autonomia maggiore. L’impatto potenziale sull’aviazione commerciale e militare è quindi enorme.

Ma le implicazioni vanno ben oltre il cielo. La combinazione di leggerezza, potenza, efficienza nella produzione di idrogeno e robustezza rende questa tecnologia ideale per una vasta gamma di settori. Potrebbe accelerare la diffusione dei trasporti a idrogeno, fornire energia sicura a installazioni remote e rivoluzionare il modo in cui immagazziniamo l’energia da fonti intermittenti.

In un’epoca in cui la transizione energetica è tanto necessaria quanto complessa, innovazioni come The Monolith rappresentano un salto quantico. Siamo di fronte a una tecnologia che potrebbe ridefinire le regole del gioco, dimostrando che a volte, per fare un passo avanti, bisogna semplicemente eliminare il superfluo. In questo caso, il metallo.

Domande e Risposte

1. Quando potremmo vedere questa tecnologia applicata su aerei o automobili? R: Sebbene la tecnologia sia estremamente promettente, siamo ancora in una fase di ricerca e sviluppo. La commercializzazione richiederà ulteriori test, l’ottimizzazione dei processi produttivi su larga scala e la certificazione per settori critici come quello aeronautico. Realisicamente, potrebbero essere necessari dai 5 ai 10 anni prima di vedere le prime applicazioni commerciali, partendo probabilmente da droni e piccoli velivoli per poi estendersi, in futuro, a settori più ampi.
2. Questa cella in ceramica è più costosa da produrre rispetto a quelle tradizionali? R: Inizialmente, come per ogni nuova tecnologia, i costi di produzione potrebbero essere più elevati. Tuttavia, il processo di fabbricazione è notevolmente semplificato, ridotto a soli cinque passaggi contro i numerosi richiesti per le celle tradizionali. Questa semplificazione, unita all’eliminazione di metalli costosi e rari, ha il potenziale per rendere The Monolith significativamente più economico in una produzione di massa, abbattendo i costi e aumentandone l’accessibilità a lungo termine.
3. Qual è il vantaggio principale di questa tecnologia rispetto alle batterie al litio per lo stoccaggio di energia? R: Il vantaggio principale risiede nella densità energetica e nella versatilità. Mentre le batterie immagazzinano elettricità direttamente, le celle a combustibile come The Monolith possono generare elettricità dall’idrogeno e, cosa fondamentale, produrre idrogeno dall’elettricità in eccesso (elettrolisi). L’idrogeno può essere immagazzinato in grandi quantità e per lunghi periodi senza perdite, superando i limiti di peso e capacità delle batterie per applicazioni su larga scala o che richiedono grande autonomia, come l’aviazione o il trasporto pesante