Agli albori dell’era dell’elettricità, nel 1821, vent’anni dopo la celebre dimostrazione davanti a Napoleone della pila di Volta, il fisico estone Thomas J. Seebeck scoprì un fenomeno termoelettrico per cui, in un circuito costituito da coppie di conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura può generare elettricità. Il principio è comunemente noto come “effetto Seebeck” ed è alla base della realizzazione delle termocoppie. Potrebbe anche essere utilizzato per la costruzione di convertitori termoelettrici: finora però è stato scarsamente sfruttato dall’industria energetica con tale finalità, principalmente perché il rendimento dei convertitori è di norma modesto a fronte di costi di produzione troppo elevati.
Ora sembra esserci una novità.
I nanotecnologi del dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca hanno infatti sviluppato un know-how in base al quale hanno potuto brevettare una serie di invenzioni che consentono la produzione su scala industriale di generatori ad alta efficienza che impiegano materiali di larga reperibilità (silicio policristallino). È noto da tempo che i nanofili di silicio garantiscono una resa maggiore in termini di produzione energetica e una più ampia possibilità di impiego dei convertitori rispetto a quanto attualmente accade con i dispositivi basati su tellururi di piombo o bismuto.
Gli scienziati milanesi hanno così ideato un processo relativamente semplice e di industrializzazione poco costosa, in grado di realizzare pile di nanofili di silicio con le attuali tecnologie microelettroniche e altre nanostrutture ancora più semplici e meno costose. Hanno in tal modo risolto il problema dei costi di realizzazione delle nanostrutture, che spesso ha limitato le prospettive aperte dalle nanotecnologie e da un loro effettivo sfruttamento.
Ecco allora i convertitori termoelettrici di nuova generazione a effetto Seebeck basati su silicio nanostrutturato; per svilupparli sulla base di una metodologia industriale adeguata, l’Università di Milano-Bicocca e la ERG hanno costituito il Consorzio Delta Ti Research. Il Consorzio, interamente finanziato da ERG, coinvolge ad oggi, oltre all’Università di Milano-Bicocca che coordina gli aspetti scientifici del progetto, l’Istituto dei Materiali per la Microelettronica (IMM) del Cnr di Bologna e le Università di Modena e di Verona.
Il valore aggiunto della nuova tecnologia che il Consorzio sta mettendo a punto, consiste nella struttura dei nuovi generatori a effetto Seebeck. L’architettura dei dispositivi di conversione si fonda sulla loro specifica predisposizione alla costituzione di robuste ed efficienti architetture plurimodulari che consentono di realizzare convertitori per tensioni e potenze elevate. Inoltre, le modalità di realizzazione ne dovrebbero permettere il passaggio su scala industriale in tempi relativamente brevi.
I generatori Seebeck possono essere molto versatili. Grazie alle caratteristiche di compattezza, efficienza e capacità di produrre energia in maniera costante e in assenza di fonti di approvvigionamento consistenti, il loro impiego è stato fin qui principalmente rivolto a contesti nei quali altre fonti energetiche risultano sostanzialmente indisponibili. Essi si prestano infatti molto bene ad equipaggiare le sonde per l’esplorazione dello spazio profondo che non possono utilizzare i pannelli solari. Gli impieghi terrestri sono invece stati sempre rivolti a scenari in cui piccole potenze elettriche disponibili localmente hanno un elevato valore d’uso, come ad esempio nella velica off-shore o in ambiti rurali.
Rendimenti più elevati e costi di produzione più ridotti potranno comunque modificare in modo rilevante le loro modalità d’uso. La disponibilità di dispositivi basati su silicio policristallino nano strutturato costruiti con le stesse tecniche impiegate per produrre i comuni microchip, autorizza a immaginare qualcosa di equivalente a una nuova fonte energetica rinnovabile e distribuita, il calore disperso a bassa temperatura, la cui disponibilità a livello mondiale può essere stimata nell’ordine di 15.000 gigawatt.
I settori potenzialmente oggetto della nuova tecnologia saranno quindi il recupero energetico da fonti a bassa-media temperatura, quali reflui di calore industriale e automotive, e lo sfruttamento diretto del calore solare. Inoltre, tali dispositivi ben si prestano anche alla produzione di freddo senza parti in movimento, con applicazioni che vanno dalla refrigerazione industriale a quella civile, dalla sensoristica al controllo termico della strumentazione elettronica.
(Michele Orioli)
