Generare elettricità dall’aria: Air-gen, la rivoluzione del futuro per l’energia pulita

Generare elettricità pulita dall’aria: questa scoperta, pubblicata su Advanced Materials da un gruppo di ricercatori dell’Università del Massachussetts Amherst, fa uso di nanofilamenti a base di una proteina sintetizzata da un batterio per ricavare energia dall'umidità naturalmente presente nell'aria. Questo sistema per ricavare energia elettrica promette un balzo in avanti nel campo dell'estrazione di energia da fonti rinnovabili e sostenibili. Per ora il sistema riesce a dare elettricità a piccoli dispositivi, ma se la tecnologia verrà sviluppata potrebbe trovare applicazioni nei dispositivi indossabili o in alcuni dispositivi medici di monitoraggio. Per un utilizzo su larga scala occorrerà una grande produzione di nanofilamenti: a questo scopo si sta lavorando con batteri estremamente comuni come Escherichia coli.

Come funziona il sistema Air-gen per produrre elettricità dall'aria

In questo sistema l’elettricità viene generata grazie a un particolare fenomeno fisico che viene innescato dall’umidità presente nell'aria stessa. Il meccanismo è semplice: le molecole di acqua presenti nell’aria, entrando in contatto e attraversando una pellicola sottile, composto da filamenti di una proteina sintetizzata dal batterio Geobacter sufurreducens, generano una (piccola) differenza di potenziale, ovvero una tensione elettrica che può essere convertita in elettricità.

Il fenomeno era già stato scoperto nella medesima università americana nel 2020. La nuova ricerca ha dimostrato che l'effetto fisico si verifica anche con materiali diversi dalla bio-pellicola prodotta da Geobacter sufurreducens, ma anche con altri materiali con proprietà simili:

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Di Riccardo De Marco

Un'ampia gamma di materiali inorganici, organici e biologici opportunamente ingegnerizzati con nanopori siano in grado di generare elettricità in modo continuo dall'aria.

I ricercatori hanno voluto definire quindi questo dispositivo come un “generatore ad aria”, abbreviato con il termine “air-gen”. Questo nuovo termine coniato da anche il nome all’effetto fisico corrispondente: effetto air-gen, o air-gen effect.

La struttura del materiale alla base dell'Air-gen

Ma quindi quali proprietà deve avere un materiale affinché si verifichi l’effetto air-gen?

Innanzitutto, deve essere sotto forma di un film sottile di pochi millesimi di millimetro (più o meno lo spessore di un foglio di carta) e deve avere una struttura nanoporosa con fori del diametro di 100 nanometri (milionesimi di millimetro), cioè 700-800 volte più piccoli del diametro di un capello umano. Questa dimensione corrisponde al cammino libero medio di una molecola di acqua in forma gassosa, ovvero la distanza che una singola molecola di acqua sospesa nell'aria percorre mediamente prima di urtare un'altra molecola d'acqua.

Essendo tuttavia questi canali di diametro così piccolo, le molecole d'acqua attraversano con fatica i pori del materiale continuando a urtare contro le pareti del poro stesso. Ciò significa che la superficie superiore dello strato di film, a diretto contatto con l’aria umida, viene “bombardata” da molte più molecole d'acqua rispetto alla sua superficie inferiore.

In questo modo si crea uno squilibrio di densità di molecole d’acqua tra e due superfici. Queste molecole, per via degli urti, si caricano elettricamente creando a sua volta uno squilibrio di carica elettrica. Applicando due elettrodi sulle superfici del materiale è possibile apprezzare ai loro capi un piccolo valore di tensione.

La durata dell'effetto nel tempo

Ulteriori studi effettuati hanno evidenziato come l'effetto air-gen possa perdurare indefinitamente nel tempo senza "consumarsi", fintanto che il materiale nanoporoso rimanga immerso nell’umidità dell’aria. Questo fenomeno è determinato da una condizione di equilibrio fisico rispetto all’ambiente in cui esso è immerso, quindi esso non si manifesta attraverso reazioni chimiche che farebbero invece decomporre il materiale in altri composti, esaurendone l'effetto (caso tipico delle batterie).

Poiché un minimo grado di umidità è sempre presente nell'aria, il dispositivo sarebbe quindi teoricamente in grado di funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con la pioggia o con il sole, di notte, con o senza vento, superando così uno dei principali problemi delle fonti rinnovabili: l’aleatorietà della fonte energetica.

I limiti della tecnologia Air-gen

Come per tutte le cose ci sono pregi e difetti, cerchiamo di analizzare quindi anche i potenziali limiti di questa tecnologia:

• Gli effetti sono studiati da poco tempo, pertanto, nonostante i risultati siano promettenti non si è ancora in grado di estendere e valutare il comportamento di questo fenomeno sul lungo periodo, anche in presenza di una continua umidità dell’aria (esempio, il degrado del materiale causato da fenomeni ad oggi non noti legati all'invecchiamento);
• Questo fenomeno è stato studiato su piccoli campioni di materiale, i film presentano superfici dell’ordine del centimetro quadrato. È necessario quindi capire e studiare la scalabilità di questo effetto, ovvero capire se, aumentando le dimensioni del campione, ne aumenta anche l'effetto. Su questo punto un minimo di studio sembra già essere stato condotto con risultati promettenti.
• Impatto sulla produzione in scala dei bio-film organici prodotti da batteri. Per produrre i film organici sono necessarie colture batteriche che devono essere mantenute in vita e alimentate in ambienti di coltura adatti (bioreattori) i quali possono avere dei costi di gestione rilevanti. Pertanto, la scelta del miglior materiale in grado di ottimizzare costi e benefici deve essere valutata attentamente; molto probabilmente la scelta del materiale ottimale non sarà univoca ma dipenderà dall’applicazione richiesta.
• Infine, dal punto di vista prettamente elettrico si è visto come i campioni analizzati producano tensioni (a vuoto) dell’ordine dei millivolt (mV) e correnti dell’ordine delle centinaia di nanoampere (nA). La densità di potenza in gioco è quindi microscopica: si parla di microwatt al centimetro quadrato (µW/cm²) di materiale. In queste condizioni le applicazioni di questa tecnologia sarebbero davvero minime. Per capire se e come questa tecnologia sarà veramente risolutiva ed efficace nella generazione di elettricità dovranno necessariamente essere condotti ulteriori studi sulla sua scalabilità (discussa al punto due).

Solo il tempo ci dirà quindi, con il prosieguo degli studi e della ricerca se questa scoperta potrà davvero spalancare le porte dell'esplorazione sulla produzione di energia elettrica sostenibile prodotta dall'aria. Per ora possono essere fatte solamente delle ipotesi sulle possibili applicazioni che potrà avere questa tecnologia: dall’alimentazione continuativa di piccoli dispositivi come sensori e dispositivi IoT per il monitoraggio e la misura di grandezze fisiche in zone remote del pianeta, fino ad arrivare a paragonare l'air-gen come un degno concorrente delle celle fotovoltaiche nella produzione di energia elettrica.