24-hr Solid-State Power Generation with Self-Adaptive Tunable Radiative Coatings
Questo articolo dimostra un sistema di generazione di potenza allo stato solido auto-adattivo che raggiunge un funzionamento di 24 ore integrando generatori termoelettrici con un rivestimento radiativo sintonizzabile che passa autonomamente da un'alta assorbibilità solare per il riscaldamento diurno a un'alta emissività infrarossa per il raffreddamento notturno tramite una transizione di fase del VO2 guidata dalla temperatura, superando così i convenzionali assorbitori neri sia nella produzione di potenza diurna che notturna.
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Il sole è una fonte di calore implacabile, mentre il vuoto freddo dello spazio offre un gelo costante e profondo. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di costruire macchine che raccolgano energia da questi due estremi, sperando di creare energia senza parti in movimento o combustibile. La sfida risiede nel fatto che un dispositivo deve diventare molto caldo per generare elettricità dal sole, ma deve anche diventare molto freddo per generare elettricità dalla notte stellata. Di solito, un materiale che è bravo ad assorbire la luce solare è anche bravo a irradiare il calore, rendendo difficile mantenere l'estrema differenza di temperatura necessaria per la generazione di energia. Inoltre, la maggior parte dei materiali è statica; si comportano allo stesso modo sia che il sole splenda, sia che le stelle siano fuori. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno cercato materiali in grado di cambiare il proprio comportamento automaticamente, agendo come una pelle intelligente che sa quando assorbire il calore e quando lasciarlo sfuggire.
Un team di ricercatori dell'Arizona State University ha ora dimostrato un dispositivo che fa esattamente questo, creando elettricità continuamente per ventiquattro ore usando nient'altro che il sole e il freddo dello spazio. Hanno costruito un rivestimento speciale che si trova sopra una pila di moduli termoelettrici — dispositivi che trasformano direttamente le differenze di temperatura in elettricità. Questo rivestimento è composto da un sottile film di biossido di vanadio, un materiale che cambia la sua struttura interna in base alla temperatura. Quando il sole picchia e il rivestimento si scalda, passa a uno stato che funge da perfetto assorbitore solare, assorbendo la luce mentre intrappola il calore. Quando il sole tramonta e il rivestimento si raffredda, cambia di nuovo, diventando un radiatore altamente efficiente che rilascia il calore nel cielo freddo. Questo interruttore auto-adattivo avviene senza controlli esterni, batterie o sensori, essendo guidato interamente dalla temperatura del rivestimento stesso.
I ricercatori hanno progettato questo rivestimento con grande precisione, stratificando diversi materiali per garantire che lo switch funzioni esattamente dove è necessario. Hanno posizionato il film di biossido di vanadio su una base di silicio, separato da uno strato distanziatore che aiuta a regolare il modo in cui la luce interagisce con la superficie. Durante il giorno, quando il biossido di vanadio è caldo, il rivestimento assorbe il 90 percento della luce solare che lo colpisce, ma riflette la maggior parte del calore infrarosso, mantenendo il dispositivo caldo. Di notte, quando il materiale si raffredda al di sotto di un certo punto, diventa trasparente alla luce infrarossa in un intervallo specifico, permettendo al dispositivo di irradiare il proprio calore nell'atmosfera in modo efficiente. Ciò crea una grande differenza nel modo in cui la superficie emette calore tra il giorno e la notte, un cambiamento di 0,62 nella sua capacità di irradiare energia, un salto significativo per questo tipo di materiale.
Per testare se questo concetto potesse effettivamente generare energia, il team ha portato il loro dispositivo all'esterno e lo ha fatto passare attraverso cicli completi di giorno e notte. Hanno testato il sistema in due ambienti: all'interno di una camera a vuoto elevato per rimuovere l'effetto di raffreddamento del vento, e all'aria aperta dove la convezione gioca un ruolo. Nel vuoto, il dispositivo ha dimostrato il suo valore generando 1,64 watt di potenza per metro quadrato intorno a mezzogiorno. Questo era il 28 percento di potenza in più rispetto a una superficie nera standard nelle stesse condizioni. Quando scesa la notte, il dispositivo ha cambiato modalità e ha iniziato a generare elettricità dal freddo, producendo 26 milliwatt per metro quadrato. Questo era il 63 percento in più di quanto riuscisse a fare la superficie nera durante la notte. La capacità di passare tra queste due modalità ha permesso al dispositivo di produrre un flusso costante di elettricità, con la tensione che saliva durante il giorno e scendeva in valori negativi di notte man mano che la differenza di temperatura si invertiva.
Quando i ricercatori hanno spostato il test all'aria aperta, i risultati sono stati leggermente inferiori a causa dell'effetto di raffreddamento del vento, ma il dispositivo ha comunque superato la superficie nera standard. Nel calore di una giornata estiva, il dispositivo rivestito ha raggiunto temperature di 87 gradi Celsius, mentre il campione nero non rivestito raggiungeva solo 6_7 gradi. Questo calore extra si è tradotto in una produzione di energia di 0,48 watt per metro quadrato a mezzogiorno, un miglioramento del 14 percento rispetto al campione nero. Di notte, il dispositivo ha continuato a generare energia, sebbene la presenza dell'aria riducesse leggermente la differenza di temperatura. Anche con queste sfide del mondo reale, il sistema ha mantenuto un ciclo continuo di generazione di energia, dimostrando che il rivestimento auto-adattivo funziona anche al di fuori del laboratorio.
Lo studio ha anche confrontato il loro rivestimento intelligente con altri materiali specializzati per vedere quanto fossero vicini ai limiti teorici. Hanno testato un assorbitore solare quasi perfetto e un raffreddatore radiativo altamente selettivo fatto di fluoruro di litio. Questi materiali di riferimento hanno mostrato che c'è ancora spazio per il miglioramento nel design, poiché il rivestimento intelligente non ha quasi raggiunto le prestazioni di picco dei materiali specializzati a scopo singolo. Tuttavia, la capacità del rivestimento intelligente di svolgere entrambi i compiti in un unico pacchetto, cambiando automaticamente, offre una via pratica da seguire. I ricercatori hanno dimostrato che un singolo dispositivo poteva produrre tensioni a circuito aperto che variavano da 433 millivolt durante il giorno a -62 millivolt di notte in un vuoto, e da 300 millivolt a -51 millivolt all'aria aperta. Questo ciclo continuo di generazione di energia ventiquattr'ore, guidato da un materiale che cambia le proprie proprietà in risposta al meteo, segna un passo significativo verso un recupero di energia sostenibile e allo stato solido che non richiede parti in movimento né intervento umano.
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