I dispositivi indossabili, come la maggior parte delle tecnologie, necessitano di energia. Fortunatamente, però, con i modesti budget energetici dei dispositivi indossabili, l'energia è praticamente ovunque. È presente nei raggi del sole e nelle onde radio, nel sudore sulla pelle e nel calore corporeo, nel movimento di una persona e nei suoi passi. E oggi, la tecnologia sta raggiungendo un punto di maturità tale da consentire di raccogliere quantità significative di queste fonti energetiche, liberando così i dispositivi indossabili dalla necessità di una batteria. Una prospettiva molto attraente nelle applicazioni pratiche per diverse aziende e per i ricercatori.
Introduzione
"Solitamente diamo per scontata l'energia, perché semplicemente colleghiamo le cose alla presa e sembra inevitabile come l'aria. Ma in realtà abbiamo bisogno che l'energia sia generata", afferma Alper Bozkurt, che insieme a Veena Misra dirige il Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies (ASSIST) presso la North Carolina State University (NCSU). La tecnologia di recupero energetico per i dispositivi indossabili più conosciuta attualmente è, ovviamente, quella solare, che raccoglie elettroni dalla luce del sole o dalla luce ambientale. Ma il solare è solo l'inizio. I ricercatori hanno scoperto che esistono molte opzioni per raccogliere abbastanza microwatt per sostituire le batterie dei dispositivi indossabili. Tra queste ci sono i generatori piezoelettrici e triboelettrici, che sfruttano la deformazione meccanica e le proprietà elettrostatiche dei materiali per generare elettricità. Nel frattempo, il ben noto fenomeno dell'induzione elettromagnetica raccoglie urti, salti e passi per creare piccole ma comunque utili correnti. Sebbene i dispositivi indossabili in generale non richiedano molta energia, devono essere però facili da indossare. Uno zaino con un enorme pannello solare potrebbe funzionare tecnicamente, ma non nella realtà. Un leggero sensore per il controllo dei parametri biofisici non sarebbe utile per i biologi che cercano di monitorare un bisonte per tutta la sua vita. La varietà delle esigenze e delle fonti energetiche è evidente in una serie di recenti ricerche sul recupero energetico, tra cui alcuni lavori ibridi che integrano più modalità.
Fonti di energia ambientale
Le fonti di energia ambientale rappresentano un ricco mosaico di risorse energetiche sostenibili che si trovano liberamente disponibili nell'ambiente circostante. Queste fonti offrono un'enorme varietà di opportunità per catturare e sfruttare l'energia in modo efficiente. Ecco una panoramica estesa delle diverse fonti di energia ambientale.
Energia Termica
L'energia termica è una fonte di energia diffusa che deriva dal calore presente nell'ambiente. Questa energia può essere sfruttata per il riscaldamento degli edifici, la produzione di energia elettrica tramite motori termici o turbine a vapore, e per il raffreddamento tramite sistemi di refrigerazione a ciclo termodinamico.
Energia Cinetica
L'energia cinetica è associata al movimento degli oggetti. È possibile catturare questa energia da varie fonti, come il movimento delle persone, le correnti d'aria, le onde del mare e altre forme di movimento meccanico. Questa energia può essere convertita in elettricità utilizzando tecnologie come i generatori cinetici.
Energia Chimica
L'energia chimica è intrinseca alle reazioni chimiche e può essere trovata in vari contesti, come nelle batterie e nelle celle a combustibile. Queste risorse consentono di immagazzinare e rilasciare energia chimica in modo controllato, rendendole fonti chiave di energia ambientale.
Energia Potenziale
L'energia potenziale è legata all'altezza e alla gravità. È presente, ad esempio, nell'acqua accumulata in serbatoi sopraelevati o in masse d'aria in elevazione. Questa energia può essere convertita in energia meccanica o elettrica attraverso processi come l'idroelettricità o l'energia eolica.
Energia Solare
L'energia solare è una delle fonti più abbondanti di energia ambientale. La luce solare può essere convertita in energia elettrica tramite celle fotovoltaiche o in energia termica tramite collettori solari. Questa fonte di energia è in costante crescita e può essere utilizzata per alimentare sistemi di riscaldamento, elettricità e anche veicoli solari.
Campi Elettromagnetici delle Onde Radio
Gli ambienti moderni sono permeati da segnali nel campo elettromagnetico delle onde radio, come trasmissioni radio e televisive. Questi segnali possono essere catturati e convertiti in energia elettrica tramite antenne specializzate, rendendo possibile l'alimentazione di dispositivi a basso consumo energetico.
Altre Risorse Energetiche
Oltre alle fonti sopra menzionate, esistono ulteriori risorse energetiche ambientali. Ad esempio, la biomassa può essere sfruttata per generare energia termica o elettrica. Allo stesso modo, le correnti marine e l'energia geotermica sono risorse energetiche provenienti dai flussi d'acqua oceanica e dal calore terrestre, rispettivamente. Queste fonti di energia ambientale rappresentano l'opportunità di ridurre la dipendenza da fonti energetiche non rinnovabili, contribuendo così alla sostenibilità ambientale. La diversità di queste risorse consente la loro adattabilità a una vasta gamma di applicazioni e necessità energetiche, contribuendo al progresso verso un futuro energetico più pulito, sostenibile ed efficiente.
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Avete notizie su termogeneratori commerciali (wearable etc.) in grado di generare energia con un delta T molto basso 20-30 gradi al max?
Nel contesto dei dispositivi indossabili che sfruttano la tecnologia termoelettrica per generare energia, è interessante esplorare la possibilità di dispositivi in grado di operare con un basso differenziale di temperatura (delta T), come i 20-30 gradi da Lei menzionati.
I generatori termoelettrici, noti anche come TEG (Thermoelectric Generators), sfruttano l’effetto Seebeck per convertire il calore in energia elettrica. L’efficienza di questi dispositivi dipende fortemente dal materiale utilizzato e dal gradiente di temperatura tra le due facce del dispositivo.
Alcuni anni fa, è stato pubblicato uno studio significativo nel campo dell’ottimizzazione dei materiali per migliorare l’efficacia dei TEG anche con basse differenze di temperatura. Secondo un articolo scientifico pubblicato su Nanoletters (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00227), sembrerebbe che i ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali e configurazioni che permettono ai TEG di operare efficacemente anche con un delta T ridotto, come quello del corpo umano rispetto all’ambiente circostante.
Nonostante queste innovazioni, è importante notare che la potenza generata in queste condizioni rimane relativamente bassa, e i dispositivi sono ancora in fase di ricerca e sviluppo per applicazioni commerciali. Attualmente, non esistono molti dispositivi termoelettrici commerciali specificamente progettati per l’uso indossabile con un così basso delta T che siano ampiamente disponibili sul mercato. La maggior parte dei prodotti esistenti richiede un gradiente di temperatura più elevato per operare in modo efficiente.
Tuttavia, l’interesse crescente per le tecnologie sostenibili e indossabili potrebbe accelerare lo sviluppo di soluzioni più efficienti e praticabili per le applicazioni quotidiane. Le consiglierei di tenere d’occhio gli sviluppi futuri in questo campo e di verificare periodicamente le novità proposte dai principali istituti di ricerca e aziende tecnologiche che lavorano con la termoelettricità.