Gli scienziati dell’Università del Colorado hanno sfruttato una proprietà degli elettroni simile al poltergeist per progettare delle nuove rectennas, dispositivi in grado di catturare il calore in eccesso dal loro ambiente e trasformarlo in elettricità utilizzabile.
I ricercatori hanno descritto le loro nuove “rettifiche ottiche” in un documento pubblicato sulla rivista Nature Communications. Questi dispositivi, che sono troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo, sono circa 100 volte più efficienti di strumenti simili utilizzati per la raccolta di energia. E riescono a farlo attraverso un misterioso processo chiamato “tunneling risonante” – in cui gli elettroni passano attraverso la materia solida senza spendere energia.
“Entrano come fantasmi“, ha detto l’autrice principale Amina Belkadi, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca presso il Dipartimento di ingegneria elettrica, informatica ed energetica (ECEE).
Rectennas (abbreviazione di “rectifying antennas“), ha spiegato, funziona un po’ come le antenne delle autoradio. Ma invece di captare le onde radio e trasformarle in melodie, le rectennas ottiche assorbono la luce e il calore e li convertono in energia.
Si tratta di un’innovazione potenzialmente rivoluzionaria nel mondo delle energie rinnovabili. In teoria, le rectennas funzionanti potrebbero raccogliere il calore proveniente dalle ciminiere delle fabbriche o dai forni dei panifici che altrimenti andrebbe sprecato. Alcuni scienziati hanno persino proposto di montare questi dispositivi su dirigibili che potrebbero volare in alto sopra la superficie del pianeta per catturare l’energia che si irradia dalla Terra allo spazio.
Ma, finora, le rectennas non sono state in grado di raggiungere le efficienze necessarie per raggiungere questi obiettivi. Fino ad ora, forse. Nel nuovo studio, Belkadi e i suoi colleghi hanno progettato le prime rectennas in assoluto in grado di generare energia.
“Dimostriamo per la prima volta che gli elettroni subiscono un tunneling risonante in una rectenna ottica che raccoglie energia“, ha detto. “Fino ad ora, era solo una possibilità teorica.”
Il coautore dello studio, Garret Moddel, professore di ECEE, ha affermato che lo studio rappresenta un importante progresso per questa tecnologia.
“Questa innovazione fa un passo significativo verso la realizzazione di rectennas più pratiche“, ha detto. “In questo momento, l’efficienza è davvero bassa, ma aumenterà“.
Il problema delle rectennas
È uno sviluppo che Moddel, che ha letteralmente scritto il libro su questi dispositivi, attendeva con impazienza da molto tempo. le rectennas esistono dal 1964, quando un ingegnere di nome William C. Brown usava le microonde per alimentare un piccolo elicottero. Sono strumenti relativamente semplici, costituiti da un’antenna, che assorbe le radiazioni, e da un diodo, che converte quell’energia in correnti CC.
“È come un ricevitore radio che raccoglie la luce sotto forma di onde elettromagnetiche“, ha detto.
Il problema, tuttavia, è che per catturare la radiazione termica e non solo le microonde, le rectennas devono essere incredibilmente piccole, molte volte più sottili di un capello umano. E questo può causare una serie di problemi. Più piccolo è un dispositivo elettrico, ad esempio, maggiore diventa la sua resistenza, il che può ridurre la potenza in uscita di una rectenna.
“È necessario che questo dispositivo abbia una resistenza molto bassa, ma deve anche essere davvero reattivo alla luce“, ha detto Belkadi. “Qualunque cosa tu faccia per migliorare il dispositivo in un modo lo peggiori nell’altro”.
Per decenni, in altre parole, le rettifiche ottiche sono sembrate uno scenario senza possibilità di vittoria. Questo fino a quando Belkadi e i suoi colleghi, tra cui la ricercatrice post-dottorato Ayendra Weerakkody, sono giunti a una soluzione: perché non eludere completamente questo ostacolo?
Una soluzione spettrale
L’approccio del team si basa su una strana proprietà del regno quantistico.
Belkadi ha spiegato che, in una rectenna tradizionale, gli elettroni devono passare attraverso un isolante per generare energia. Questi isolanti aggiungono molta resistenza ai dispositivi, riducendo la quantità di elettricità che gli ingegneri possono ottenere.
Nell’ultimo studio, tuttavia, i ricercatori hanno deciso di aggiungere due isolanti ai loro dispositivi, non solo uno. Quell’aggiunta ha avuto l’effetto controintuitivo di creare un fenomeno energetico chiamato “bene” quantistico. Se gli elettroni lo colpiscono bene con la giusta energia, possono usarlo per passare attraverso i due isolanti, senza subire resistenza nel processo.
Non è dissimile da un fantasma che fluttua indisturbato attraverso un muro. Uno studente laureato del gruppo di ricerca di Moddel aveva precedentemente teorizzato che un simile comportamento spettrale poteva essere possibile nelle rectane ottiche, ma, fino ad ora, nessuno era stato in grado di dimostrarlo.
“Se scegli i tuoi materiali nel modo giusto e li ottieni con il giusto spessore, allora si crea questo tipo di livello di energia in cui gli elettroni non incontrano resistenza“, ha detto Belkadi.
E questo significa più potenza. Per testare l’effetto spettrale, Belkadi e i suoi colleghi hanno disposto una rete di circa 250.000 rectennas, che hanno la forma di piccoli fiocchi, su una piastra calda nel laboratorio. Poi hanno alzato la temperatura.
I dispositivi sono stati in grado di catturare meno dell’1% del calore prodotto dalla piastra calda. Ma Belkadi pensa che quei numeri aumenteranno.
“Se usiamo materiali diversi o cambiamo i nostri isolanti, allora potremmo essere in grado di migliorare l’efficienza“, ha detto.
Moddel non vede l’ora che arrivi il giorno in cui le rectennas saranno ovunque, dai pannelli solari a terra ai veicoli più leggeri dell’aria: “Se riesci a catturare il calore che si irradia nello spazio profondo, puoi ottenere energia sempre e ovunque“.
