Veicoli elettrici - mobilità - tecnologie - ambiente - energia rinnovabile. L'esaurimento delle risorse e le conseguenti ripercussioni politiche ed economiche rendono necessario ridurre la dipendenza dall'importazione di prodotti petroliferi e spingere quindi verso lo sviluppo di fonti energetiche alternative. I veicoli elettrici possono utilizzare tecnologie e risorse nel modo più efficiente.
Il grafene è una forma bidimensionale di carbonio con uno spessore pari ad una molecola scoperta nel 2004 dall'Università di Manchester. Il grafene È incredibilmente sottile, leggero e resistente che ha numerose applicazioni potenziali. Una di queste è la possibile realizzazione di fonti affidabili di acqua pulita in grado di alleviare la sete a numerose popolazioni poste sul globo quindi diventerebbe uno dei più importanti impieghi.
Usato già da tempo come elettrodo super efficiente nelle batterie per accumulare energia, nel 2025 potrebbe diventare l'elemento essenziale per permettere la dissalazione dell'acqua marina a due terzi della popolazione mondiale che soffrirà di una grave carenza di fonti di acqua potabile. La realizzazione di una membrana multistrato di ossido di grafene permetterà il filtraggio dell'acqua con i suoi micro pori impedendo il passaggio del cloruro di sodio (sale) dell'acqua del mare molto più veloce e in maniera più efficiente di quanto possano fare gli attuali metodi con una durata protratta nel tempo.
Attualmente i ricercatori sono riusciti a produrre membrane della grandezza di un foglio di carta di formato A4 ma entro 5 anni saranno in grado di produrre fogli grandi quanto un campo di calcio. Nel frattempo i ricercatori si stanno impegnando a realizzare sistemi di piccole dimensioni tali da permettere il filtraggio di impianti portatili per bottiglie o di piccola scala, unità domestiche, entro 2 anni. I filtri esistenti attualmente in commercio possono rimuovere (filtrare) microbi, batteri, virus mentre con la tecnologia del grafene si potrà estrarre anche ulteriori sostanze chimiche diverse come metalli pesanti, pesticidi ed anche coloranti rendendo sicura qualsiasi riserva di acqua e rapidamente filtrabile. O oltre a salvare miliardi di vite umane potrebbe diventare interessante anche per l'industria in generale quando si riuscirà a migliorare la tecnologia per applicazioni su scala maggiore.
L'energia illimitata non esiste. Ok. Ma potrebbe avvicinarsi molto ad essere realtà a certe condizioni e quantità opportune. Dispositivi di piccole dimensione potrebbero essere alimentati senza l'utilizzo delle classiche batterie ricaricabili o pilette, come gli orologi da polso, i pace-maker, gli apperecchi biomedicali, acustici e sensori portatili. Una fonte di energia microscopica con auto-ricarica potrebbe rendere molti oggetti di uso quotidiano dispositivi di facile uso e mantenimento. Per piccoli dispositivi dunque, non per auto o altro, ma comunque una tecnologia straordinariamente interessante ancora di più per certi versi.
I ricercatori della University of Arkansas, guidati dal professor Paul Thibado, hanno trovato una forte evidenza che il movimento interno di materiali 2D potrebbe essere utilizzato come fonte di energia pulita e illimitata. Il team ha riferito di avere mosso i primi passi verso la creazione di un micro dispositivo in grado di trasformare questa energia di movimento in energia elettrica, potenzialmente in grado di una utile ricaduta per molte applicazioni di uso comune. Un brevetto è stato recentemente applicato su questa invenzione, chiamato Vibration Energy Harvester, or VEH.
Il team ha studiato i movimenti interni atomi di carbonio di grafene osservando due caratteristiche distinte: un piccolo moto browniano e moti più grandi e coordinati. In questi movimenti più grandi, l'intero corpo viene mosso su e giù come un unico sottile pezzo di metallo e più volte flesso. Questo modello di piccoli movimenti casuali combinati con grandi movimenti bruschi è noto come Lévy flights. Il fenomeno può essere osservato in una varietà di contesti, come segnali biomedici, dinamica del clima, e altro. Thibado ha affermato di essere il primo ad aver osservato questi flights che si verificano spontaneamente in un sistema inorganico di scala atomica.
Altri ricercatori hanno teorizzato che la temperatura indotta genera una curvatura a inversione e il grafene potrebbe essere utilizzato come fonte di energia. Il lavoro di Thibado è eccellente grazie alla scoperta che il grafene ha increspature naturali che invertono la loro curvatura quando gli atomi vibrano in risposta alla temperatura ambiente. “Questa è la chiave per utilizzare il movimento di materiali 2D come fonte di energia utile”, ha dichiarato Thibado. A differenza degli atomi in un liquido, che si muovono in direzioni casuali, gli atomi collegati in un foglio di grafene si muovono insieme. Ciò significa che la loro energia può essere sfruttata utilizzando la nanotecnologia esistente.
Tale dispositivo VEH è composto da un sottile foglio di grafene caricato negativamente sospeso tra due elettrodi metallici. Quando il grafene si flette verso l'alto, induce una carica positiva nell'elettrodo superiore, mentre, quando gira verso il basso, carica quello inferiore, creando così una sorta di corrente alternata.
I fogli di grafene utilizzati nel laboratorio di Thibado hanno una dimensione di una decina di micron, così piccola che più di 20.000 di loro potrebbe stare sulla testa di uno spillo. Ogni Lévy flight di 10 nanometri potrebbe produrre 10 picowatt di potenza. Come risultato, ciascuna di queste micro membrane ha il potenziale per produrre energia sufficiente per alimentare un orologio da polso, senza mai usurarsi e senza essere necessaria una ricarica.
Jianchao Ye e Morris Wang (LLNL). Foto di Julie Russell
La crescente domanda di stoccaggio di energia impone l'urgente necessità di arrivare a produrre batterie sempre più performanti, in particolare quelle agli ioni di litio, migliorandone la capacità, tensione e densità di energia.
Batterie agli ioni di litio stanno crescendo a livello di mercato per applicazioni sia nei veicoli aerospaziali che nei più tradizionali veicoli elettrici, come le golf car nelle quali vanno a sostituire le comuni batterie al piombo storicamente utilizzate come pure nei veicoli commerciali. Al posto delle pesanti lastre di piombo con elettroliti acidi, la nuova tendenza è quella di utilizzare le batterie agli ioni di litio, essendo molto più leggere,
senza richiedere modifiche del sistema di azionamento del veicolo
pur potendo fornire la stessa tensione delle batterie al piombo.
Un nuovo orientamento per l'accumulo di energia nelle applicazioni commerciali è quella che riguarda i materiali di grafene, anche nelle batterie agli ioni di litio oltre che nei supercondensatori (supercaps), che però si scontra con la difficoltà di produrre materiali in grandi quantità e a basso costo. Altro punto critico nei metodi di sintesi chimiche utilizzate frequentemente oggi risiede nel asciare dietro di sé una quantità significativa di idrogeno atomico, il cui effetto sulle prestazioni elettrochimica del grafene è ancora difficile da ridurre o addirittura determinare e capire.
Quei limiti e quel punto critico descritti sopra sembrano essere superati dagli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America, gestito dall'Università della California e ubicato nella città di Livermore). I loro esperimenti e calcoli multiscala rivelano che il trattamento intenzionale a bassa temperatura del grafene con idrogeno può migliorare significativamente la capacità. In pratica l'idrogeno ha la particolare propensione di interagire e agire sui i difetti del grafene aprendo piccole aperture tali da facilitare la penetrazione del litio nella struttura del grafene migliorando la qualità del trasporto degli ioni.
Per studiare il coinvolgimento dell'idrogeno nei difetti idrogenati e nel miglioramento della capacità del grafene di stoccaggio del litio, il team ha applicato diverse condizioni di trattamento termico in combinazione con l'esposizione dell'idrogeno studiando le prestazioni elettrochimiche tridimensionali degli elettrodi, 3-D graphene nanofoam (GNF) electrodes, che sono composti principalmente da grafene difettoso. Il team ha utilizzato 3-D nanospugne di grafene a seguito delle considerazioni del fatto che con esse vi sono numerose applicazioni potenziali, compreso lo stoccaggio dell'idrogeno, catalisi, filtrazione, isolamento, assorbimenti di energia, dissalazione capacitiva, supercondensatori e LIBS (laser induced breakdown spectroscopy), quindi un potenziale grande mercato.
In sostanza si è arrivati ad un drastico miglioramento della capacita negli elettrodi di grafene nanoschiuma dopo il trattamento con l'idrogeno. Combinando i risultati sperimentali con simulazioni dettagliate, i ricercatori sono stati in grado di rintracciare i miglioramenti delle minute interazioni tra i difetti e l'idrogeno dissociato. Ciò si traduce in alcune piccole modifiche nella chimica e nella morfologia del grafene che determinano un sorprendentemente enorme effetto sulle performance.
In definitiva la ricerca suggerisce che il trattamento con l'idrogeno controllato può essere utilizzata come strategia per ottimizzare il trasporto e lo stoccaggio col litio e con altri materiali anodici basati sul grafene.
Quale sia questo miglioramento non è stato specificato quindi, come al solito, non possiamo che terminare dicendo: restiamo in ansiosa attesa degli sviluppi della ricerca, dei dati effettivi, e in ultimo delle applicazioni commerciali.
