Energia quasi gratis dalla pioggia: la rivoluzione galleggiante che usa l’acqua come componente strutturale

Tutti sanno che la pioggia porta acqua dolce, ma forse non tutti si soffermano sul fatto che porti anche energia meccanica gratuita che si schianta al suolo. Per anni, gli scienziati hanno cercato di trasformare quell’energia in elettricità, ma con risultati spesso deludenti: generatori tradizionali (DEG) inefficienti, pesanti, costosi e difficili da scalare. La solita complicazione della tecnologia moderna di fronte a un problema semplice.

Ora, un team di ricerca della Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ha avuto un’idea che, a pensarci bene, suona tanto ovvia quanto brillante: e se, per raccogliere energia dalla pioggia sull’acqua (un lago, un bacino), usassimo l’acqua stessa come parte del dispositivo?

Il risultato è un generatore di elettricità fluttuante (chiamato W-DEG) che risolve molti dei problemi dei suoi predecessori. Lo studio è stato pubblicato sulla National Science Review.

Come funziona il generatore “galleggiante”

I generatori convenzionali (C-DEG) sono rigidi. Richiedono una piattaforma solida e un elettrodo metallico sul fondo. Quando la goccia colpisce la pellicola dielettrica superiore, l’impatto produce un segnale elettrico. Sebbene possano generare centinaia di volt, si basano su materiali costosi e pesanti che ne limitano la diffusione.

Il nuovo design, invece, galleggia. E qui sta il colpo di genio: l’acqua sottostante svolge due funzioni contemporaneamente:

1. Funzione Strutturale (Supporto): L’acqua agisce come base di supporto. Grazie alla sua incomprimibilità e alla tensione superficiale, l’acqua fornisce la “rigidità” necessaria per assorbire l’impatto della goccia, permettendole di diffondersi efficacemente sulla superficie. Quindi questi nuovi sistemi di generazione sono galleggianti.

2. Funzione Elettrica (Elettrodo): L’acqua stessa, grazie agli ioni naturali in essa disciolti (anche in un lago o nell’acqua del rubinetto), agisce come elettrodo conduttivo inferiore.

In pratica, si elimina la necessità di una costosa piastra metallica di fondo e di un pesante substrato rigido.

Il meccanismo di generazione è una combinazione di elettrificazione da contatto e induzione elettrostatica. Quando la goccia di pioggia colpisce la pellicola dielettrica (che è pre-caricata negativamente) e si diffonde fino a toccare un filo metallico (l’elettrodo superiore), si chiude un circuito. Questo “completa” il collegamento tra la goccia superiore e l’acqua del lago sottostante. La differenza di potenziale spinge gli elettroni attraverso il circuito esterno (ad esempio, un LED), generando un impulso di corrente.

I vantaggi: non solo un esperimento

Il punto non è solo l’eleganza del design, ma l’efficienza pratica. I vantaggi rispetto ai sistemi convenzionali sono netti:

• Costi ridotti: Si stima un taglio dei costi dei materiali di circa il 50%.

• Peso ridotto: Il peso del dispositivo viene abbattuto di circa l’80%.

• Prestazioni invariate: Nonostante la “semplificazione”, il W-DEG mantiene una potenza elettrica comparabile ai sistemi rigidi, con picchi di tensione di circa 250 volt per goccia.

Durabilità e Scalabilità

C’è di più. Questo sistema “integrato con la natura” è sorprendentemente robusto. I test hanno dimostrato che continua a funzionare in un ampio intervallo di temperature e livelli di salinità.

Anzi, sembra quasi “insensibile” all’ambiente in cui opera. A differenza di molti dispositivi energetici delicati, il W-DEG ha mantenuto prestazioni stabili anche quando esposto all’acqua di lago contenente biofouling (microrganismi, alghe, ecc.). Questo perché lo strato dielettrico è chimicamente inerte e la struttura basata sull’acqua è naturalmente resiliente.

Il team ha anche risolto ingegnosamente il problema dell’accumulo di acqua piovana: sfruttando la tensione superficiale, hanno progettato fori di drenaggio unidirezionali. Questi fori lasciano scendere l’acqua piovana in eccesso, ma impediscono all’acqua del lago di risalire.

La scalabilità è un altro punto di forza. I ricercatori hanno già creato un dispositivo integrato da 0,3 metri quadrati (molto più grande della maggior parte dei prototipi precedenti) che ha dimostrato di poter alimentare contemporaneamente 50 diodi a emissione di luce (LED).

Drenaggio dell’acqua unidirezionale abilitato dalla tensione superficiale nel W-DEG. (a) Diminuzione della tensione di uscita causata dall’accumulo di acqua sulla superficie superiore del film dielettrico in assenza di fori di drenaggio. (b) L’accumulo di acqua ha indotto un aumento della capacità parassita tra gli elettrodi superiore e inferiore e una diminuzione dell’area di diffusione delle goccioline. (c) Il diagramma schematico mostra il trasporto unidirezionale dell’acqua attraverso il foro di drenaggio. (d) Dipendenza della dimensione critica del foro dall’altezza della goccia con diversi angoli di menisco; l’inserto illustra la goccia che si trova sopra il foro. (e e f) Le foto digitali mostrano che la goccia non viene trasportata verso l’alto o verso il basso attraverso il foro sotto una certa pressione quando l’altro lato è aria. (g) Le foto digitali mostrano che la goccia si trasporta spontaneamente verso il basso attraverso il foro quando l’acqua di pre-fissaggio si trova sotto il foro. (h) Le foto digitali mostrano che la goccia che cade dopo essersi diffusa e aver rimbalzato drena prontamente verso il basso attraverso il foro nel W-DEG. (i) Uscita di tensione stabile del W-DEG con un foro di drenaggio.

Prospettive future: energia senza occupare suolo

L’impatto di questa ricerca va oltre la semplice raccolta della pioggia. “Permettendo all’acqua stessa di svolgere ruoli sia strutturali che elettrici, abbiamo sbloccato una nuova strategia (…) leggera, economica e scalabile”, ha affermato il Prof. Wanlin Guo, uno degli autori dello studio.

Si apre la porta a sistemi idrovoltaici “land-free”, che non utilizzano spazio terrestre. Questi dispositivi potrebbero essere impiegati su laghi, bacini o acque costiere, fornendo elettricità rinnovabile che integra altre tecnologie come il solare e l’eolico.

Naturalmente, la strada per l’implementazione su larga scala richiede ancora lavoro. Le gocce di pioggia reali variano per dimensioni e velocità, e la durabilità a lungo termine in condizioni esterne dinamiche deve essere ulteriormente ingegnerizzata. Tuttavia, la dimostrazione di un prototipo stabile ed efficiente è un passo fondamentale.

Domande e risposte

• In pratica, quanta energia può produrre un sistema del genere? Al momento, la tecnologia è ideale per alimentare dispositivi a basso consumo. Il prototipo da 0,3 m² ha caricato condensatori a tensioni utili (3V) in pochi minuti, sufficienti per alimentare piccoli dispositivi elettronici e sensori wireless. Su larga scala, potrebbe contribuire all’alimentazione di sistemi di monitoraggio ambientale (ad esempio, per la qualità dell’acqua) o fornire energia distribuita per esigenze off-grid in aree piovose, ma non è ancora pensata per sostituire una centrale elettrica.

• Come fa l’acqua “sporca” di un lago a funzionare come un elettrodo metallico? Il segreto non è l’acqua pura, ma gli ioni disciolti in essa (sali, minerali, ecc.). L’acqua naturale, come quella del rubinetto o di un lago, contiene abbastanza ioni da renderla un conduttore sufficiente per questo scopo. Il sistema si basa sull’induzione elettrostatica e sul movimento di questi ioni. I test hanno dimostrato che il “biofouling” (alghe, microrganismi) sulla parte inferiore non impedisce questo processo, poiché anche i microbi sono ricchi d’acqua e non bloccano la migrazione ionica.

• Perché questa soluzione è migliore di un semplice pannello solare galleggiante? Non è necessariamente “migliore”, ma “complementare”. Il vantaggio principale è che funziona con la pioggia, e quindi produce energia quando il sole non c’è, ad esempio durante la notte o con tempo molto nuvoloso. Un sistema “idrovoltaico” come questo potrebbe essere accoppiato al fotovoltaico per fornire una generazione di energia rinnovabile più stabile e continua, utilizzando la stessa superficie d’acqua e massimizzando l’efficienza dello spazio.

Rimani aggiornato seguendoci su Google News!

SEGUICI