Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Immaginate un dispositivo in grado di generare elettricità senza essere collegato a una presa a muro o seduto accanto a un fuoco. Non ha bisogno di una fonte di calore su un lato e di un pozzo freddo sull'altro, come fanno la maggior parte dei generatori di energia. Al contrario, crea il proprio gradiente di temperatura utilizzando l'acqua e la luce solare. Questo è il campo dei generatori termoelettrici che galleggiano sull'acqua. Funzionano secondo un principio semplice: quando l'acqua evapora da una superficie bagnata, porta via il calore con sé, lasciando quella superficie più fredda rispetto all'aria circostante. Se un materiale riesce ad assorbire la luce solare per rimanere caldo, evaporando contemporaneamente l'acqua per rimanere fresco, si forma un divario di temperatura attraverso la sua superficie. Quel divario può essere convertito direttamente in elettricità. Per anni, gli scienziati hanno cercato di rendere questi dispositivi galleggianti più potenti, ma si sono scontrati con un problema ostinato. La stessa luce solare che riscalda il dispositivo riscalda anche le parti che dovrebbero rimanere fresche, annullando efficacementamente la differenza di temperatura su cui il dispositivo si basa.

Un team di ricercatori della Tokai University in Giappone ha trovato un modo per risolvere questo problema trattando il lato di raffreddamento del dispositivo con una maschera speciale. Hanno scoperto che coprendo l'area di raffreddamento con un materiale che riflette la luce solare pur permettendo il passaggio dell'acqua, avrebbero potuto raddoppiare l'elettricità prodotta dal dispositivo. La chiave del loro successo è stata un materiale chiamato diatomite, una polvere naturale composta dai gusci fossilizzati di alghe microscopiche. Questo materiale è naturalmente poroso e bianco. Quando i ricercatori hanno applicato uno strato di esso sul lato di raffreddamento del loro generatore galleggiante, ha agito come uno specchio, respingendo il calore del sole, mentre i suoi minuscoli fori permettevano all'acqua di viaggiare e evaporare. Il risultato è stato un dispositivo che rimaneva significativamente più freddo su un lato, creando un divario di temperatura molto più ampio e, di conseguenza, un segnale elettrico molto più forte.

Il dispositivo stesso è costruito da un sottile film autoportante di nanotubi di carbonio a parete singola, che sono forme di carbonio incredibilmente piccole e tubolari. Questo film è leggero, flessibile e abbastanza resistente da galleggiare. Viene posizionato su un foglio di plastica con fori rettangolari tagliati, che permette all'acqua di risalire attraverso il film per capillarità, proprio come l'acqua che sale in un tovagliolo di carta. Quando l'acqua raggiunge la superficie del film, evapora, raffreddando quell'area specifica. Il resto del film, che è esposto al sole ma non a contatto con l'acqua, rimane caldo. Questa differenza di temperatura attraverso il film genera una tensione. Nelle versioni precedenti di questo dispositivo, l'intera superficie, inclusa l'area di raffreddamento, assorbiva la luce solare, il che riscaldava la zona di raffreddamento e indeboliva la differenza di temperatura. I ricercatori si sono resi conto che per ottenere più potenza, dovevano impedire al sole di riscaldare la zona di raffreddamento senza però impedire l'evaporazione dell'acqua.

Per testare questa idea, il team ha costruito quattro versioni diverse del generatore galleggiante. Il primo era un dispositivo di controllo senza alcuna maschera. Il secondo era coperto da una maschera bianca solida fatta di resina acrilica, che rifletteva bene la luce solare ma bloccava il passaggio dell'acqua. Il terzo era una maschera a due strati con la stessa resina acrilica sul fondo e uno strato di diatomite sopra; questo rifletteva la luce ma bloccava ancora il percorso dell'acqua perché la resina sigillava la superficie. Il quarto dispositivo era coperto solo dallo strato di diatomite, che rifletteva la luce e permetteva all'acqua di passare attraverso i suoi pori naturali. Hanno posizionato tutti i quattro dispositivi in un contenitore d'acqua sotto un sole artificiale brillante che simulava l'intensità di una giornata limpida, misurando l'elettricità prodotta e la quantità di acqua evaporata in trenta minuti.

I risultati hanno mostrato un vincitore chiaro. Il dispositivo senza maschera ha prodotto una piccola tensione di 0,25 millivolt. I dispositivi con le maschere bianche solide, che riflettevano il sole ma bloccavano il flusso dell'acqua, hanno prodotto una tensione leggermente superiore di 0,34 millivolt. Questo miglioramento ha dimostrato che riflettere la luce solare aiutava, anche se costava parte del raffreddamento evaporativo. Tuttavia, il dispositivo con la maschera di diatomite, che sia rifletteva la luce che permetteva il passaggio dell'acqua, ha prodotto una tensione di 0,50 millivolt. Era esattamente il doppio dell'output del dispositivo senza maschera. La maschera di diatomite ha anche permesso la maggiore evaporazione dell'acqua, con 670 milligrammi persi in trenta minuti, rispetto ai 535 milligrammi del dispositivo senza maschera. La struttura porosa della diatomite ha aumentato la superficie dove l'acqua poteva trasformarsi in vapore, potenziando l'effetto di raffreddamento, mentre il colore bianco teneva a bada il calore del sole.

I ricercatori hanno analizzato attentamente perché questa combinazione funzionasse così bene. Hanno scoperto che il guadagno di potenza derivava da due fonti distinte che si sommavano perfettamente. La prima fonte era la riflessione della luce solare, che impediva all'area di raffreddamento di riscaldarsi. La seconda fonte era la continua evaporazione dell'acqua attraverso la maschera porosa, che attivamente sottraeva calore. Quando hanno confrontato i dispositivi, hanno visto che il semplice fatto di riflettere la luce senza lasciare passare l'acqua dava un piccolo incremento, ma aprire il percorso dell'acqua mantenendo la riflessione dava un incremento molto più grande. La maschera di diatomite riusciva a fare entrambe le cose contemporaneamente. Il team ha calcolato che la differenza di temperatura attraverso il film nel miglior dispositivo era di 2,60 gradi Celsius, il doppio dei 1,30 gradi osservati nella versione senza maschera. Questo raddoppio del divario di temperatura ha portato direttamente al raddoppio dell'output elettrico.

Questa scoperta è importante perché mostra un nuovo modo per migliorare il recupero di energia dall'ambiente. La maggior parte dei dispositivi termoelettrici richiede un approvvigionamento costante di calore da un lato e un approvvigionamento costante di freddo dall'altro, il che limita dove possono essere utilizzati. I dispositivi che creano il proprio gradiente di temperatura possono operare ovunque ci sia acqua e luce, rendendoli ideali per sensori non presidiati su laghi o oceani. Lo studio dimostra che non è necessario cambiare il materiale principale del generatore per migliorarlo; basta ingegnerizzare la superficie che guarda verso il lato di raffreddamento. Usando un materiale che sia sia riflettente che permeabile, i ricercatori hanno creato uno strato di raffreddamento che è molto più efficace di qualsiasi design precedente. La maschera di diatomite, un semplice composito di gusci di silice naturale e un legante di gesso, si è rivelata la soluzione perfetta, offrendo una via pratica verso fonti di energia più potenti e autosufficienti per il futuro.