Nanogeneratore realizzato presso lo Georgia Institute of Technology

Come funzionano nanogeneratori

Ancora in piena fase di sviluppo, potrebbero portare a un'ulteriore miniaturizzazione dei generatori per dispositivi mobili
Come funzionano nanogeneratori FASTWEB S.p.A.

In ambito tecnologico è uno di quei termini il cui utilizzo cresce in maniera costante. È legato al mondo delle batterie (o comunque degli accumulatori di carica in genere) e, per molti, sarebbe la soluzione ideale per alimentare dispositivi mobili di ogni genere: dagli smartphone ai tablet, passando per wearable, scarpe intelligenti e molto altro ancora. Si tratta dei nanogeneratori, generatori di dimensioni microscopiche in grado di alimentare batterie ricaricabili ricavando energia dall'ambiente circostante.

 

Rendering del funzionamento di nanogeneratori

 

I nanogeneratori possono sfruttare tre fonti ambientali per "creare" energia elettrica: frizione o strofinamento tra due o più elementi (in questo caso si parla di effetto triboelettrico o triboelettricità); vibrazione (effetto piezoelettrico o piezoelettricità) e variazioni di temperatura (effetto termoelettrico o piroelettricità).

 

Prototipo di nanogeneratori

 

Allo stato attuale, però, i nanogeneratori sono ancora nelle primissime fasi di sviluppo e una loro implementazione nei dispositivi commerciali è ancora un'ipotesi al vaglio dei ricercatori. Di fatto, ricavare energia sufficiente per alimentare batterie ricaricabili da una sola fonte potrebbe essere complicato in caso di variazioni sensibili all'interno dell'ecosistema (mancanza di movimento per generare vibrazioni oppure equilibrio termico tra le componenti del generatore). Per questo motivo, si preferisce creare sistemi di accumulo ibridi nei quali al fianco di nanogeneratori piezoelettrici sono affiancati piccoli pannelli solari o altre forme di generatori di energia elettrica.

Come funzionano i nanogeneratori triboelettrici

Messi a punto nei laboratori del Georgia Institute of Technology nel 2012 dal team di ricerca del prof. Zhong Lin Wang, i nanogeneratori triboelettrici sfruttano la tribo-polarità opposta di due pellicole organiche/inorganiche. Nel circuito interno di questi generatori si crea potenziale elettrico grazie all'effetto triboelettrico generato dal passaggio di cariche tra le due pellicole, mentre il circuito esterno ha il compito di "indirizzare" il flusso elettrico verso gli elettrodi posti nella parte posteriore delle pellicole così da bilanciare il potenziale.

 

Nanogeneratore triboelettrico

 

Il funzionamento di questi nanogeneratori è dovuto, come detto in precedenza, alla frizione che si crea tra le due pellicole del circuito interno. Applicando una pressione esterna, si avvicinano le pellicole sino a farle arrivare al contatto: a questo punto inizia lo scambio di cariche tra le due superfici, che porterà tutte le cariche positive da un lato e tutte le cariche negative dall'altro. Non appena la pressione esterna viene a mancare, le due pellicole si separano e tornano alla loro posizione "naturale", mentre al centro si forma un campo elettrico che induce una differenza di potenziale tra i due elettrodi e genera l'elettricità.

Come funzionano i nanogeneratori piezoelettrici

Un generatore piezoelettrico è un dispositivo capace di convertire l'energia cinetica di un sistema in movimento in energia elettrica per batterie ricaricabili o altri dispositivi elettronici. Anche se è ancora nelle primissime fasi di sviluppo (si è parlato per la prima volta di nanogeneratori piezoelettrici solo nel 2006), questa tecnologia è vista da più parti come il futuro della miniaturizzazione nel settore dei generatori elettrici. Ben presto potrebbe essere infatti utilizzata (in abbinamento con altre tipologie di generatori) per l'alimentazione di smartphone e altri dispositivi elettronici.

 

Rendering nanogeneratore piezoelettrico

 

All'interno di questi nanogeneratori la struttura chiave è un nanocavo – o struttura analoga – realizzato con materiale piezoelettrico (materiale in grado di produrre energia se sottoposto a movimento o vibrazione consistente). La forza che genera la vibrazione può essere esercitata sia perpendicolarmente che parallelamente all'asse del nanocavo.

Nel primo caso un cavo di materiale piezoelettrico è soggetto a una forza laterale che causa una deformazione alla struttura fisica del cavo stesso. Le proprietà del reticolo cristallino del materiale piezoelettrico faranno sì che la carica positiva si accumuli su un lato, mentre la carica negativa andrà ad accumularsi sul lato opposto. Questa polarizzazione porta alla creazione di una differenza di potenziale che si traduce in un flusso di corrente nel nanocircuito.

 

Funzionamento nanogeneratore piezoelettrico

 

Nel secondo caso, invece, la forza cui è soggetto il nanocavo ne determina una compressione. L'effetto piezoelettrico fa sì che si generi un potenziale maggiore nella parte superiore del cavo, mentre il flusso di elettroni scorrerà dall'alto verso il basso del circuito elettrico.

Come funzionano i nanogeneratori piroelettrici

Un nanogeneratore piroelettrico trasforma il calore esterno in energia sfruttando materiali piroelettrici sensibili anche alla minima variazione di temperatura. L'accumulo avviene su facce ortogonali rispetto a un asse di simmetria noto come "asse termico". La faccia che viene caricata positivamente viene chiamata "polo analogo", mentre la faccia opposta è detta "polo antilogo". Come i nanogeneratori triboelettrici, anche questa "famiglia" di generatori elettrici è stata scoperta nel 2012 dal team di ricerca del prof. Zhong Lin Wang. Il principio di funzionamento dei nanogeneratori piroelettrici può essere spiegato in due differenti casi: l'effetto piroelettrico principale e l'effetto piroelettrico secondario.

 

Nanogeneratore piroelettrico

 

Nel primo caso il meccanismo è indotto dal movimento del dipolo elettrico generato dalla variazione di temperatura esterna. Quando il calore del sistema aumenta, cresce anche il movimento del dipolo: in questo caso l'angolo di rotazione del cristallo attorno al proprio asse è superiore rispetto alla situazione di partenza e il numero di cariche indotte negli elettrodi sarà inferiore. Ciò porta alla creazione di un flusso elettrico nel nanocircuito e alla creazione di corrente elettrica.

Nel secondo caso, invece, l'aumento di temperatura provoca una deformazione del cristallo piroelettrico stesso, producendo una differenza di potenziale sulla superficie del materiale utilizzato. Il risultato è la creazione di un flusso di elettroni (e di corrente elettrica) lungo tutto il nanocircuito.

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