Carbogel Termoelettrici: La Rivoluzione Sostenibile che Trasforma il Calore Perso in Energia!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e innovazione! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta davvero entusiasmando: i carbogel e il loro potenziale incredibile nel campo delle applicazioni termoelettriche. Immaginate di poter trasformare il calore di scarto, quello che normalmente si disperde nell’ambiente, in energia elettrica utile. Sembra fantascienza? Beh, tenetevi forte, perché stiamo per fare un viaggio affascinante in questa tecnologia promettente!

Il Problema del Calore di Scarto e la Promessa Termoelettrica

Viviamo in un mondo che ha una fame insaziabile di energia. Purtroppo, gran parte di questa energia, derivante principalmente da combustibili fossili, viene persa sotto forma di calore. Pensate, oltre i due terzi! Qui entrano in gioco i generatori termoelettrici (TEG). Questi dispositivi, sfruttando l’effetto Seebeck, possono convertire direttamente il calore in elettricità. Una vera manna dal cielo, se pensiamo al cambiamento climatico e all’esaurimento delle risorse fossili.

La “bontà” di un materiale termoelettrico si misura con un parametro chiamato figura di merito adimensionale, o ZT. Più alto è ZT, meglio è. Per avere un ZT elevato, un materiale deve possedere un’alta conducibilità elettrica (σ) e un alto coefficiente di Seebeck (S) – che insieme formano il “fattore di potenza” – ma, allo stesso tempo, una bassissima conducibilità termica (κ). È una sorta di equilibrio delicato, un po’ come cercare di essere bravi sia in attacco che in difesa!

Finora, ci siamo concentrati sul recupero di calore a temperature medio-alte. Ma che dire delle enormi quantità di calore a bassa temperatura (sotto i 350 K, circa 77°C), che costituiscono oltre il 70% del calore di scarto industriale? Questo tesoro energetico rimane in gran parte inutilizzato per vari motivi:

• Scarsità di materiali termoelettrici efficienti a temperatura ambiente.
• Presenza di elementi rari, tossici o costosi (come bismuto, tellurio, piombo) nei materiali tradizionali.
• Sfide ingegneristiche: peso, instabilità chimica, fragilità, stress termici tra materiali di tipo p e n.
• Difficoltà nella produzione su larga scala e nell’assemblaggio dei moduli.

Insomma, un bel rompicapo che ha frenato la commercializzazione su vasta scala dei TEG. Ma l’emergenza climatica ci impone di agire subito, esplorando strategie accessibili e realizzabili.

La Soluzione Innovativa: I Carbogel Funzionalizzati

E se vi dicessi che una soluzione potrebbe arrivare da materiali che già usiamo per altri scopi? Sto parlando dei materiali super-isolanti termici, come i gel di resorcina-formaldeide (RF). Questi materiali sono atossici, leggeri, sostenibili, economici e producibili su larga scala. Hanno già una conducibilità termica intrinsecamente bassissima. La sfida? Renderli elettricamente conduttivi senza compromettere troppo le loro fantastiche proprietà isolanti.

Nel nostro studio, abbiamo preso questi gel RF e li abbiamo trasformati in carbogel (o xerogel di carbonio) attraverso un processo chiamato pirolisi. Poi, abbiamo inserito delle fibre conduttive. Il risultato? Un aumento della conducibilità elettrica di ben 12 ordini di grandezza e un miglioramento significativo del ZT, mantenendo una conducibilità termica ultra-bassa (inferiore a 50 mW m^-1K^-1). Impressionante, vero?

Il materiale non pirolizzato è praticamente un isolante elettrico, con un ZT bassissimo (circa 10^-16). La pirolisi, invece, lo rende semiconduttore, portando la conducibilità elettrica da 10^-10 S m^-1 a 10 S m^-1, e il ZT a circa 10^-5. Aumentare la temperatura di pirolisi potrebbe migliorare ulteriormente la conducibilità, ma bisogna fare attenzione a non superare gli 850°C se si usano fibre come Basalto e PANOX, per evitare deformazioni e crepe. La cosa fantastica è che la pirolisi peggiora solo leggermente le proprietà isolanti, grazie all’elevata porosità del materiale.

Ma come avviene questo miglioramento? La pirolisi crea una struttura monolitica di particelle di carbonio interconnesse. L’alta temperatura favorisce la formazione di nuovi strati di grafene e riduce le resistenze di contatto tra le particelle. La conduzione elettrica avviene tramite il movimento dei portatori di carica lungo la rete del materiale o tramite meccanismi di “salto” (hopping) o “tunneling” degli elettroni tra segmenti conduttivi separati da zone amorfe. Questi meccanismi assicurano una diffusione continua dei portatori di carica, mantenendo la cosiddetta “percolazione” del sistema.

La Teoria della Percolazione e l’Importanza delle Fibre

La teoria della percolazione ci aiuta a capire come l’aggiunta di cariche conduttive influenzi la conducibilità. Immaginate tre zone:

1. Zona 1 (bassa carica): Le cariche conduttive sono isolate, la conducibilità dipende solo dal gel.
2. Zona 2 (soglia di percolazione): Aumentando le cariche, queste interagiscono, si attivano meccanismi come il tunneling, e la conducibilità aumenta bruscamente.
3. Zona 3 (oltre la soglia): Si raggiunge un plateau; ulteriori aggiunte di carica hanno un impatto minimo.

Nonostante il miglioramento con la sola pirolisi, il ZT era ancora basso (circa 10^-5), principalmente a causa di coefficienti di Seebeck modesti (inferiori a 17 µV K^-1). Era chiaro che dovevamo fare di più. Così, abbiamo pensato di inserire delle cariche conduttive: le fibre di carbonio.

L’obiettivo era trovare fibre che ottimizzassero le proprietà termoelettriche mantenendo l’isolamento termico e la bassa densità. Abbiamo scelto nanofibre di basalto e poliacrilonitrile ossidato (PANOX) per il loro elevato “form factor” (rapporto tra diametro massimo e minimo), che permette di creare percorsi conduttivi con bassi tassi di drogaggio. Queste fibre hanno una conducibilità elettrica simile a quella della grafite e rinforzano meccanicamente il carbogel.

I risultati? Le fibre PANOX hanno dato prestazioni termoelettriche circa quattro volte superiori a quelle del basalto! Questo perché PANOX ha una conducibilità elettrica molto più alta (circa 10⁵ S m^-1 contro 10³ S m^-1 del basalto). Il coefficiente di Seebeck era leggermente migliore con PANOX, e anche se la conducibilità termica finale era un po’ più alta con PANOX, la differenza nella conducibilità elettrica era talmente grande da spiegare il divario nel ZT.

Curiosamente, fino a un tasso di drogaggio del 10%, sia la conducibilità elettrica che il coefficiente di Seebeck aumentavano contemporaneamente. Questo fenomeno, già osservato in altri studi, potrebbe essere dovuto alla formazione di una barriera di potenziale tra i fogli di grafene e la matrice di RF pirolizzata. Solo i portatori di carica con energia sufficiente superano questa barriera, portando a un aumento del coefficiente di Seebeck. Oltre il 10% di drogaggio, la soglia di percolazione viene superata, la barriera si indebolisce e il coefficiente di Seebeck diminuisce. Quindi, ci siamo fermati al 10%, ottenendo un ZT(300 K) = 8 × 10^-4 per il carbogel RF con fibre PANOX, un valore sufficiente per alimentare sensori wireless a basso consumo, con un enorme vantaggio in termini di peso.

Un’Applicazione Pratica: Il Pannello Isolante Termoelettrico a Vuoto (TVIP)

Per dimostrare le potenzialità di questo materiale, abbiamo realizzato un prototipo: un pannello isolante termoelettrico a vuoto (TVIP). L’idea è di usarlo come sistema di rilevamento dei guasti per l’isolamento termico, ad esempio, della batteria di un veicolo ibrido. Immaginate che la batteria debba essere mantenuta a 10°C, mentre l’esterno può arrivare a 50°C. Il TVIP limita l’ingresso di calore. Se il vuoto nel pannello si perde (ad esempio, per una foratura), le sue proprietà termoelettriche cambiano e la tensione generata diminuisce drasticamente, segnalando il problema.

Abbiamo testato un TVIP con carbogel RF pirolizzato a 850°C e fibrizzato con PANOX, spesso 2 mm. Sotto vuoto e con una leggera pressione meccanica (pochi kPa), il TVIP generava circa 12 mV. Se il vuoto veniva perso, ma la pressione mantenuta, la tensione scendeva a circa 0.5 mV. Senza pressione, la tensione andava a zero perché le piastre di rame perdevano contatto. La cosa più interessante è stata la transizione: nel momento esatto della perdita di vuoto, la tensione crollava bruscamente. Un algoritmo potrebbe facilmente identificare questo “scalino” nella curva di tensione, rendendo superflue le misurazioni di temperatura.

Ovviamente, il TVIP da solo non basta. Serve un sistema di comunicazione wireless. Abbiamo sviluppato una scheda elettronica con antenna WiFi, alimentata da una batteria ricaricabile, che invia i dati di tensione a computer, smartphone o tablet. Immaginate un segnale che arriva direttamente sul cruscotto dell’auto, allertando l’utente! Questo sistema è più rapido di un termocoppia tradizionale, che rileverebbe il guasto solo con un cambiamento di temperatura, soggetto a inerzia termica.

Verso il Futuro: Moduli su Larga Scala e Nuove Prospettive

Finora abbiamo usato un modulo con un solo elemento termoelettrico di tipo p. Ma cosa succederebbe associando più materiali in serie, creando giunzioni p-p o, ancora meglio, n-p? Abbiamo definito un materiale “target” con proprietà termoelettriche ancora migliori (coefficiente di Seebeck di circa 50 µV K^-1, conducibilità termica di 30 mW m^-1K^-1 e conducibilità elettrica di 10³ S m^-1). Obiettivi ambiziosi, ma raggiungibili!

Con il materiale attuale, un modulo da 1 m² con 1000 giunzioni p-p e una differenza di temperatura di 50°C potrebbe generare 1.25 V. Con il materiale target p-p, arriveremmo a 2.5 V. E con una combinazione di materiali target n-p? Ben 5 V! Se poi guardiamo alla densità di potenza con una differenza di 100°C, l’architettura n-p potrebbe raggiungere i 22 W m^-2, valori interessantissimi per alimentare sensori remoti o ausiliari in auto, aerei, o per ricaricare condensatori.

Abbiamo anche dimostrato, con l’aiuto del CAD e con un assemblaggio sperimentale, la fattibilità di creare moduli di grandi dimensioni (1000 cm²). Certo, ci sono state delle sfide, come il distacco di alcune piastre di rame o la formazione di polvere che creava cortocircuiti. Ma siamo riusciti a tagliare il materiale in modo pulito e a ottenere un grande TVIP.

Il nostro carbogel RF si posiziona come il miglior candidato se vogliamo combinare isolamento termico e funzionalizzazione termoelettrica a basso costo (meno di 20 $/kg), con una conducibilità termica inferiore a 50 mW m^-1K^-1 e una densità inferiore a 120 kg m^-3. Altri aerogel o polimeri con ZT più alti hanno costi e conducibilità termiche che ne limitano l’applicazione su larga scala come super-isolanti.

Un Nuovo Paradigma per il Recupero di Calore

L’idea chiave che voglio trasmettervi è questa: la bassa densità di potenza dei moduli TE a base di carbogel può essere compensata da grandi superfici flessibili. Il loro uso primario come materiale super-isolante viene ulteriormente valorizzato dalla generazione di energia termoelettrica. Invece di partire da un ottimo materiale TE e poi ottimizzarne i fattori commerciali e ambientali (l’approccio tradizionale), noi partiamo da un isolante termico leggero, con l’isolamento come funzione principale, e poi ne ottimizziamo le proprietà TE per un recupero di calore complementare. Questo porta a un guadagno ambientale quasi a costo zero, senza ulteriori ottimizzazioni.

Questo lavoro apre una nuova strada per l’utilizzo di carbogel economici, sicuri e basati su elementi abbondanti sulla Terra, per un recupero sostenibile e scalabile del calore di scarto a temperatura ambiente. Pensate alle applicazioni in spazi confinati, come l’isolamento della cabina di un aereo, dove peso e volume sono critici. Questo sistema si integrerebbe quasi senza costi aggiuntivi, fornendo energia per sensori di dati di volo o per il comfort termico. Ma anche per la catena del freddo, oleodotti e molto altro!

Insomma, stiamo parlando di una vera e propria svolta che potrebbe aiutarci a sfruttare meglio le risorse energetiche e a combattere il cambiamento climatico, un passo alla volta, un carbogel alla volta!

Fonte: Springer