Dispositivi senza batterie con l’energy harvesting termico

I ricercatori del TU di Vienna hanno sviluppato un nuovo materiale che converte il calore in elettricità decisamente meglio dei precedenti materiali termoelettrici. La scoperta potrebbe essere un enorme vantaggio per le applicazioni che coinvolgono l’IoT.
I materiali termoelettrici – materiali in grado di convertire il calore in elettricità – potrebbe essere i prossimi catalizzatori per fornire una fonte di energia autonoma e rinnovabile per un’ampia gamma di tecnologie, come i sensori o anche piccoli processori informatici, consentendo loro di generare la propria energia dalle differenze di temperatura. L’avvento di dispositivi sempre più efficienti potrebbe aprire la strada a nuove soluzioni che sfruttano appieno i vantaggi della raccolta di energia.

L’effetto Seebeck è il processo fisico che controlla l’energy harvesting termico, si ha quando un gradiente di temperatura tra i due lati di un materiale genera una tensione elettrica. La giunzione PN è il componente base di un dispositivo termoelettrico (TEG) e comprende un’unica struttura di materiale termoelettrico di tipo P e N realizzata mediante drogaggio a semiconduttore. Un modulo TEG è costituito essenzialmente da molte coppie di PN poste in serie. L’efficienza di questo processo dipende dalla differenza di temperatura tra i lati caldo (Th) e freddo (Tc) del dispositivo e dalle prestazioni del materiale termoelettrico, espresse dalla figura termoelettrica di merito ZT:

dove S, ρ e λ sono rispettivamente il coefficiente di Seebeck, la resistività elettrica e la conducibilità termica, e T è la temperatura alla quale vengono misurate le proprietà termoelettriche. Il cosiddetto valore ZT misura la quantità di energia elettrica che può essere generata ad una data differenza di temperatura: più alto è il valore ZT di un materiale, migliori sono le sue proprietà termoelettriche. Per migliorare le prestazioni termoelettriche di un determinato materiale, occorre aumentare il fattore di potenza PF = S2/ρ e ridurre la conducibilità termica.

L’efficienza di questo processo termico si basa su tre parametri: il coefficiente di Seebeck, la resistività elettrica e la conducibilità termica. Queste tre proprietà fisiche individuali che compongono la figura di merito non sono indipendenti l’una dall’altra. Pertanto, migliorare l’una senza deteriorare l’altra è difficile o impossibile. Lo studio del Prof. Ernst Bauer dell’Istituto di Fisica dello Stato Solido del TU di Vienna, si è focalizzato sulle leghe a film sottile full-Heusler depositate su wafer di Si, a causa dei loro valori ragionevolmente elevati di PF e ZT e dei loro modesti costi. Oltre alle aspettative termoelettriche, i film sottili possono essere la base per applicazioni in campi come la microelettronica.

I migliori materiali finora conosciuti hanno un valore ZT compreso tra 2,5 e 2,8. Gli scienziati della TU Wien (Vienna) sono riusciti a sviluppare materiali completamente nuovi con un valore ZT compreso tra 5 e 6. Si tratta di un sottile strato di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio applicato ad un cristallo di silicio. Il nuovo materiale altamente efficiente potrebbe rivoluzionare il mercato dell’alimentazione dei sensori, in particolare nel mercato della rete di sensori wireless (WSN). Il nuovo materiale è stato presentato sul Nature Journal. Il materiale così prodotto ha il vantaggio di essere compatto ed estremamente adattabile.

“Un buon materiale termoelettrico deve mostrare un forte effetto Seebeck e deve soddisfare due importanti requisiti difficili da conciliare”, ha dichiarato il Prof. Ernst Bauer dell’Istituto di Fisica dello Stato Solido del TU di Vienna. “Da un lato, dovrebbe condurre l’elettricità nel miglior modo possibile; dall’altro, dovrebbe trasportare il calore nel modo più scarso possibile. Questa è una sfida perché la conducibilità elettrica e la conducibilità termica sono di solito strettamente correlate (figura 1)”.

Figure 1: Il coefficiente Seebeck dipendente dalla temperatura (a) e la resistività elettrica (b) dell’intero composito (strato, interfaccia e substrato), insieme al valore del film sottile di Fe2V0.8W0.2Al. Il fattore di potenza dipendente dalla temperatura (c) e la cifra approssimativa di merito (d). [Fonte: Natura]. [Source: Nature]

Il nuovo materiale ha una struttura cristallina regolare a forma di cubo. La distanza tra due atomi di ferro è sempre la stessa, e lo stesso vale per altri tipi di atomi. L’intero cristallo è, quindi, completamente regolare. Quando un sottile strato di ferro viene applicato al substrato di silicio, la struttura cambia radicalmente e gli atomi vengono assemblati in una struttura centrata sullo spazio con una distribuzione completamente casuale. La carica elettrica che ne risulta si muove in modo particolare, ottenendo un valore di resistenza molto basso. La conducibilità termica è molto più bassa, ottenendo così una buona conversione di elettricità da un gradiente termico.

L’Energy Harvesting offre vantaggi significativi per lo sviluppo e il miglioramento dell’Internet degli oggetti. Si tratta di un componente chiave nella creazione di una classe avanzata di applicazioni stand-alone e mobili che possono funzionare per lunghi periodi di tempo senza la necessità di ricaricare le batterie. Riducendo la necessità di manutenzione e sostituzione delle batterie, Energy Harvesting consente di portare il rilevamento intelligente in luoghi remoti o difficili da raggiungere all’interno delle infrastrutture cittadine. Questo nuovo studio potrebbe anche aprire la strada a nuove soluzioni indossabili per il settore medico. Con l’aumento della ricerca e degli investimenti, il mercato globale per la raccolta di energia termica raggiungerà un valore enorme, grazie alla sua capacità di ridurre i costi e i consumi energetici.

Maurizio Di Paolo Emilio