Nuovi dispositivi termoelettrici in silicio per produrre energia elettrica con il calore a basso costo e alta efficienza

Università di Pisa 26 Giu 2020
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Uno studio congiunto dell’Università di Pisa con Università di Milano Bicocca dimostra la possibilità di costruire dispositivi termoelettrici all’avanguardia con nanostrutture in silicio, in grado di sfruttare su larga scala sorgenti di calore a temperature basse, come l’energia geotermica o addirittura il calore prodotto dal corpo, per generare energia elettrica


Nuovi dispositivi termoelettrici nanostrutturati basati su silicio permetteranno la conversione diretta del calore in elettricità a basso costo e ad alta resa. Lo studio, dal titolo “High power thermoelectric generator based on vertical silicon nanowires” pubblicato sulla rivista “NanoLetters” (autori: S. Elyamny, E. Dimaggio, S. Magagna, D. Narducci, G. Pennelli, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00227), è frutto di una collaborazione tra il laboratorio di Nanotecnologie del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e l’Università di Milano Bicocca, e dimostra la possibilità di generare potenze elettriche molto elevate su differenze di temperatura di meno di 20°C .

“I dispositivi termoelettrici – spiega Giovanni Pennelli, docente di elettronica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e coordinatore del Laboratorio di Nanotecnologie - servono per convertire il calore in energia elettrica in modo affidabile e durevole. Tuttavia, quelli in uso fino ad ora hanno costi elevatissimi, che derivano soprattutto dal materiale usato per costruirli, che è il tellurio, un minerale rarissimo e molto tossico. Nonostante le potenzialità quindi, hanno avuto fino ad ora un campo di impiego estremamente limitato. Pensiamo però a quello che cambierebbe nel sistema mondiale di produzione dell’energia con un dispositivo termoelettrico più efficiente e a costo più basso”.

Lo studio del gruppo di Pisa e Milano ha stabilito che questa possibilità esiste utilizzando al posto del tellurio delle nanostrutture in silicio, un materiale abbondante sulla Terra, bio-compatibile e molto economico da processare. I dispositivi termoelettrici in silicio possono essere prodotti su grande scala e in maniera economica con le stesse tecnologie usate per i circuiti elettronici, consentendo il recupero di energia elettrica da qualsiasi fonte di calore, come le ciminiere delle fabbriche, oppure l’energia geotermica, rilasciata dal calore naturale del Pianeta. Quest’ultima, è una fonte fino ad ora scarsamente utilizzata (ad oggi rappresenta solo l’1% della produzione mondiale di energia), ma con un potenziale enorme: secondo uno studio del MIT, con il solo geotermico, sfruttato appieno, si potrebbe soddisfare il fabbisogno energetico planetario con sola energia pulita per i prossimi 4000 anni.

“Una tipica applicazione che abbiamo in mente – commenta Elisabetta Dimaggio, ricercatrice del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione – è l’industria 4.0, su cui il nostro dipartimento ha attivi diversi progetti di ricerca e laboratori. I dispositivi al silicio possono essere integrati con i sensori wireless della “fabbrica intelligente”, fino ad ora alimentati con batterie che necessitano di essere ricaricate e poi smaltite, e fornire loro energia semplicemente applicando i sensori su una superficie calda, disponibile in molti punti della fabbrica.

“Oltre alla fabbrica e agli ambienti domestici – prosegue – c’è l’ambito biomedicale: dispositivi indossabili per il monitoraggio di pressione, temperatura o altri parametri vitali potranno essere “ricaricati” con il semplice calore del corpo.

“Si tratta di un campo di ricerca dalla portata innovativa dirompente – conclude Giovanni Pennelli – Al momento il primo prototipo è già operativo, e ha già attirato l’interesse di alcune industrie, interessate a produrre dispositivi per ricaricare i sensori su larga scala. Una rivoluzione energetica come quella di cui ci sarà bisogno nei prossimi anni richiede la produzione e messa in commercio di dispositivi più grandi, ma sempre basati sullo stesso principio. La tecnologia esiste e funziona. È necessario ora che sia messa in grado di contribuire al miglioramento delle condizioni del nostro pianeta”.

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