I ricercatori di Berkeley, in California, hanno creato
piccoli generatori di energia che sfruttano le proprietà piezoelettriche
di questi microrganismi. Ecco come ci sono riusciti
Il gruppo di lavoro di Seung-Wuk Lee
DOPO l'energia solare ed eolica, a breve ci sarà
quella a virus. Che potremmo produrre semplicemente camminando, per
esempio. È quanto sostengono gli scienziati del dipartimento del
Lawrence Berkeley national laboratory, in California, negli Stati Uniti.
Hanno scoperto che tra le proprietà di un batteriofago (un virus killer
dei batteri), c'è quella di convertire l'energia meccanica in
elettrica. Una scoperta che apre la strada (ancora lunga) a svariate
applicazioni: un giorno non lontano potremmo caricare la batteria dei
nostri smarthphone con questo sistema.
Il test.
Gli studiosi hanno creato un piccolo dispositivo - sottile come la
carta - rivestito da virus ingegnerizzati. Con la forza del tocco di un
elettrodo del generatore, i ricercatori hanno scoperto che i
microrganismi in questione producono corrente sufficiente per accendere
un piccolo display a cristalli liquidi. Questi batteriofagi hanno la
caratteristica di essere innocui per la salute dell'uomo ma soprattutto
di sfruttare la piezoelettricità ovvero le sollecitazioni meccaniche a
cui, con la semplice pressione di un dito di una mano, possono essere
sottoposti.
La scoperta. Lo studio è già online e si trova sulla rivista Nature Nanotechnology.
"Questo è soltanto il primo passo verso i dispositivi basati
sull'elettronica virale. Tuttavia abbiamo bisogno ancora di tempo per
approfondire meglio le nostre ricerche", spiega Seung-Wuk Lee,
professore del Berkeley lab. "Visti i risultati positivi, molto
presto, con questi virus, costruiremo dispositivi molto piccoli capaci
di utilizzare e trasformare l'energia prodotta da altre attività
quotidiane, come la chiusura di una porta o il fatto di salire le
scale, per ottenere energia elettrica".
La IBM sta sviluppando un prototipo di batteria a litio-aria che fa a
meno di metalli pesanti. Per arrivare a una produzione industriale
all’inizio del prossimo decennio, è stato raggiunto un accordo con
aziende chimiche giapponesi per la creazione di nuovi ettroliti che
assicurino una lunga durata di vita ai nuovi accumulatori di carica
Un nuovo tipo di batteria al litio attualmente in fase di sviluppo
potrebbe fornire l’alimentazione ad auto elettriche tanto da farle
viaggiare per ben 800 chilometri prima di dover essere ricaricate,
erogando circa 10 volte l'energia fornita dalle attuali batterie agli
ioni litio. La prospettiva di una fonte di energia ad aria, che sia
leggera e di lunga durata per la prossima generazione di veicoli è
allettante, se solo qualcuno riuscisse a costruirne un prototipo. Il
fatto è che ci sono diversi “posti di blocco” sulla strada verso queste
batterie a litio-aria, soprattutto per quanto riguarda la ricerca di
elettrodi ed elettroliti che siano sufficientemente stabili per la
chimica della batteria ricaricabile.
L’IBM prevede di adottare
batterie a litio-aria con la costruzione di un prototipo funzionante
entro la fine del prossimo anno. Venerdì la società ha annunciato di
aver intensificato gli sforzi per il loro sviluppo grazie al
coinvolgimento di due società giapponesi – l’azienda chimica Asahi Kasei
Corp e il produttore di elettroliti Central Glass – nell’IBM Battery 500 Project,
un consorzio creato dalla IBM nel 2009 per accelerare il passaggio
delle case automobilistiche e dei loro clienti a veicoli ad
alimentazione elettrica.
Le batterie agli ioni litio utilizzate
negli attuali veicoli elettrici si basano su un catodo in ossido
metallico o fosfato di metallo (generalmente cobalto, manganese o
materiali ferrosi) che funge da un elettrodo positivo, su un composto a
base di carbonio come anodo, o elettrodo positivo, e su un elettrolita
per condurre gli ioni litio da un elettrodo all'altro. Quando la
macchina va, gli ioni litio fluiscono dall'anodo al catodo attraverso
l’elettrolita e una membrana di separazione. La carica della batteria inverte la direzione del flusso di ioni.
Attualmente
le più efficienti batterie agli ioni litio per auto possono alimentare
un veicolo per soli 160 chilometri prima di esaurirsi. (La Nissan
afferma che la sua Leaf, completamente elettrica, ha un'autonomia di
circa 175 chilometri.) Veicoli elettrici molto reclamizzati come la
Chevy Volt hanno un’autonomia ancora più limitata, di soli 80
chilometri, prima che il entri in funzione il suo motore a gas.
Schermata
di una simulazione delle interazioni fra un elettrolita solvente
organico (carbonato di propilene), e ioni di litio (bianco) e di
ossigeno vicino a una superficie di litio-perossido di litio. (Cortesia
IBM Research-Zurich)Le specifiche
sull’operatività delle batterie a litio-aria sono ancora in fase di
determinazione, ma il principio generale è che, invece di utilizzare
ossidi di metalli pesanti, l’ossigeno viene prelevato dall’aria mentre
il veicolo elettrico è in movimento. Le molecole di ossigeno reagiscono
con gli ioni litio e gli elettroni sulla superficie di un catodo di
carbonio poroso, formando perossido di litio. La formazione di perossido
di litio durante la fase di scarica determina una corrente elettrica
che alimenta il motore della vettura. Durante la carica avviene la
reazione inversa, e l'ossigeno viene rilasciato di nuovo nell'atmosfera.
L'anodo, inoltre, è fatto di litio, il metallo più leggero. Senza il
ricorso a metalli pesanti, la batteria sarebbe diverse volte più leggera
ma in grado di immagazzinare più energia rispetto alla cugina agli ioni
litio.
Anche se tutto questo funziona bene in una simulazione al
computer, le batterie a litio-aria hanno nella pratica esigenze
specifiche, che gli scienziati stanno ancora cercando di soddisfare.
"Abbiamo scoperto abbastanza presto durante lo sviluppo del progetto che
gli elettroliti attualmente utilizzati nelle batterie agli ioni litio
non funzionano nelle batterie a litio-aria, perché in queste l'ossigeno
attacca la batteria e distrugge l'elettrolita", rendendolo incapace di
condurre una carica, dice Winfried Wilcke, ricercatore capo del Battery
500 Project. Una soluzione, aggiunge, sarebbe quella di utilizzare due
elettroliti diversi, uno per il catodo e un secondo per l'anodo, con una
membrana che ne eviti la miscelazione.
È a questo punto che la
IBM cercato nuovi partner. La Asahi Kasei svilupperà una membrana che
possa essere utilizzata nelle batterie per separare gli elettroliti pur
permettendo agli ioni litio di passare dall’anodo ad catodo. La Central
Glass svilupperà una nuova classe di elettroliti e di additivi ad alte
prestazioni appositamente progettati per migliorare le prestazioni della
batteria a litio-aria.
(Cortesia IBM Research-Zurich)Un
altro modo per valutare il potenziale delle batterie a litio-aria è
quello di confrontarlo con altre batterie in termini di energia
specifica, ossia di quanta energia produce in relazione alle sue
dimensioni. Considerando che una tradizionale batteria al piombo per
auto produce fino a 40 watt-ora per chilogrammo, una batteria agli ioni
di litio arriva al massimo a 250 watt-ora per chilogrammo. Una batteria a
litio-aria ha la potenzialità di superare di gran lunga i 1400
watt-ora per chilogrammo. "Il mio obiettivo sono 1000 watt-ora per
chilogrammo, ma non avremo il numero reale relativo alla densità
energetica fino a che non avremo costruito un prototipo più grande",
dice Wilcke.
Il Battery 500 Project non è l'unico in corsa per lo
sviluppo di batterie a litio-aria. I ricercatori del Massachusetts
Institute of Technology stanno sviluppando una batteria litio-aria con
elettrodi in nanofibre di carbonio. E, Yangchuan Xing, professore
associato di ingegneria chimica e biologica presso la Missouri
University of Science and Technology, lo scorso anno ha ricevuto dalla
Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA–E) un finanziamento di
1,2 milioni di dollari per sviluppare batterie a litio-aria.
Wilcke
stima che le batterie a litio-aria possano essere pronte per la
produzione non prima del 2020, "se non troviamo alcun intoppo
tecnologico lungo la strada." E aggiunge: "L'unica cosa di cui sono
certo è che non accadrà in questo decennio."
Il gruppo di lavoro di Seung-Wuk Lee
