Il MIT ha realizzato un dispositivo termofotovoltaico particolarmente efficiente e idoneo a sistemi elettronici portatili.

La maggior parte dell'energia comunemente utilizzata per usi civili ed industriali proviene dal calore, il quale viene convertito prima in energia meccanica e poi, eventualmente, in energia elettrica.

Come è noto, durante i processi di conversione energetica vi è sempre una perdita di rendimento: in particolare i sistemi meccanici presentano un'efficienza relativamente bassa, e difficilmente possono essere scalabili alle dimensioni richieste dai dispositivi elettronici portatili.

I ricercatori dell'Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) del MIT, guidati da Ivan Celanovic, hanno recentemente messo a punto dispositivi fotovoltaici particolarmente efficienti, in grado di convertire direttamente in energia elettrica non solo la radiazione solare, ma anche l'energia termica proveniente dalla combustione di idrocarburi, dal decadimento di radioisotopi o da qualsiasi altra fonte di calore.

La tecnologia utilizzata dai ricercatori del MIT si basa sell'effetto termofotovoltaico, utilizzato per la prima volta circa cinquant'anni con relativamente scarso successo, a causa delle scarse efficienze raggiunte dai prototipi. Ora il problema sembra essere stato superato grazie all'impiego di materiali speciali nanostrutturati, con proprietà ottiche particolarmente idonee a questo genere di dispositivi. La radiazione emessa dalla sorgente termica include infatti molte più lunghezze d'onda di quelle presenti nello spettro solare, il che consente di utilizzare per la costruzione delle celle diodi fotovoltaici specifici, i quali possono assorbire molta più radiazione infrarossa del silicio comunemente utilizzato. Con una comune sorgente termica, tuttavia, la maggior parte del calore risulta dispersa, e l'efficienza globale del dispositivo rimane relativamente bassa. La soluzione identificata dai ricercatori del MIT prevede di utilizzare una sorgente termica che emette radiazioni solo della lunghezza d'onda che può essere assorbita e convertita in elettricità dal diodo fotovoltaico, con notevole miglioramento dell'efficienza totale del dispositivo.

Ciò è reso possibile da un materiale opportunamente progettato, un cristallo fotonico con superficie nanostrutturata con una serie di cavità regolari che agiscono come elementi di risonanza, e sono in grado di propagare la luce in maniera selettiva. Quando questo materiale - un cristallo di tungsteno con miliardi di cavità nanostrutturate - viene riscaldato, si genera un fascio di radiazioni di lunghezza definita. I chip realizzati dal MIT contengono appunto questi cristalli fotonici, dotati anche di minuscoli tubi esterni per l'iniezione di combustibile e aria, oltre che per l'espulsione dei prodotti di scarto. Si tratta in pratica di veri e propri micro-reattori con una cella fotovoltaica montata contro ogni facciata, in modo da convertire le lunghezze d'onda della luce emessa in energia elettrica.

Basandosi su questa tecnologia, i ricercatori del MIT hanno fabbricato un generatore delle dimensioni di un pulsante, alimentato a butano, con una durata tre volte maggiore di una batteria agli ioni di litio dello stesso peso, il quale può essere ricaricato istantaneamente inserendo una nuova cartuccia di combustibile. Un altro dispositivo simile, realizzato utilizzando come fonte energetica primaria un radioisotopo, può generare elettricità ininterrottamente per 30 anni senza ulteriore bisogno di ricarica, ed è quindi la soluzione ideale per usi aerospaziali.
La sfida dei ricercatori ora è riuscire realizzare dispositivi termofotovoltaici relativamente a buon mercato e su piccola scala, anche se la costruzione di sistemi pratici richiede l'integrazione di molte tecnologie e campi di competenza. "E 'uno sforzo davvero multidisciplinare", dice Celanovic. "Ed è un chiaro esempio di come la ricerca nei materiali risulti fondamentale e in grado di consentire un intero spettro di applicazioni per la conversione ad alta efficienza energetica".

Spazio in collaborazione con Crit-Research