Arriva dall’Università Statale di New York un prototipo di carta da parati stampabile in grado di generare piccole quantità di elettricità dall'umidità interna
Come produrre elettricità dall’aria a casa propria
Le case del futuro potrebbero gestire i livelli di umidità interna producendo energia anziché consumarla, come succede oggi con i moderni climatizzatori. A proiettare una simile possibilità è l’innovativa carta da parati “igroelettrica” creata nei laboratori dell’Università Statale di New York a Binghamton.
Qui gli ingegneri Guangya Yuan, Yang Gao e Seokheun Choi hanno studiato una nuova applicazione pratica per i cosiddetti generatori elettrici a umidità (Moist-Electric Generators – MEG), dispositivi di conversione energetica che negli ultimi anni hanno attirato grande attenzione. E lo hanno fatto non solo cercando di migliorare la tecnologia ma anche provando a renderla utile per i consumatori.
Quando l’umidità domestica diventa un problema
La gestione dell’umidità negli ambienti domestici si muove su un equilibrio delicato: mantenere la quota di vapore acqueo nell’aria interna tra il 40% e il 60% garantisce il massimo comfort abitativo. Valori superiori facilitano il degrado dei materiali e compromettono la salubrità degli ambienti, influenzando la proliferazione di batteri e funghi. E l’esposizione a questi contaminanti è associata all’insorgenza o al peggioramento di sintomi respiratori, allergie, asma e reazioni immunologiche.
I bambini sono particolarmente vulnerabili. Basti pensare che oggi l’Organizzazione Mondiale della Sanità correla il 13% dei casi di asma cronico infantile nei Paesi europei ad un eccesso di umidità negli edifici.
Il problema riguarda da vicino anche l’Italia. Stando ad una recente analisi di Saint-Gobain su dati ISTAT, l’ufficio statistico nazionale, il 16,3% delle famiglie italiane, ossia circa 9,4 milioni di persone, vive in case troppo umide. In Sardegna la quota arriva addirittura al 25,7%.
Ovviamente gli strumenti per affrontare il problema già esistono. Al netto di una buona gestione dell’igiene domestica e di soluzioni passive come i sali, deumidificatori elettrici e ventilazione meccanica controllata possono dare un’importante mano. Ma lo fanno consumando energia. È a questo livello che entra in gioco la carta da parati MEG realizzata dal trio di ingegneri.
Come funziona la tecnologia MEG?
La tecnologia MEG sfrutta i gruppi funzionali dei propri materiali igroscopici per catturare il vapore acqueo dall’aria e condensarlo in forma liquida. Questo processo libera l’energia chimica contenuta nelle molecole d’acqua, provocando la separazione degli ioni mobili dai legami con il materiale. Spinti dai gradienti di umidità e di concentrazione ionica appositamente progettati, gli ioni si spostano in un’unica direzione, generando così una tensione elettrica.
Interessante sulla carta, meno nella pratica. I generatori elettrici a umidità vantano in generale basse prestazioni e scarsa stabilità. Nell’ultimo decennio, la maggior parte dei MEG realizzati ha mostrato una bassa efficienza di migrazione ionica, con prestazioni elettriche generalmente limitate a una densità di corrente di cortocircuito di 100 μA/cm2.
La prima conseguenza di ciò è l’impossibilità di utilizzare tali dispositivi all’aperto come fonte di energia generale. Al contrario, spiegano gli scienziati, negli ambienti interni, dove l’umidità è stabile e i dispositivi elettronici a basso consumo richiedono solo alimentazioni da microwatt a milliwatt, “rappresentano un’opportunità più realistica”.
I MEG più comuni utilizzano strutture verticali o orizzontali con una distribuzione asimmetrica di materiali igroscopici. Una regione assorbe preferenzialmente l’umidità, mentre un’altra ne favorisce il desorbimento o l’evaporazione, creando un gradiente costante di umidità e concentrazione ionica che determina la separazione delle cariche.
Carta da parati igroelettrica, le perfomance del prototipo
La sfida è stata dunque estendere questa architettura su un’ampia superficie, garantendo un utilizzo efficiente dello spazio. I ricercatori, spiega Chris Kocher sul sito dell’Università di Binghamton, si sono ispirati al lavoro pionieristico di Choi nel campo della papertronica per sviluppare una nuova architettura MEG simile a un microchip su un circuito stampato.
Ai bordi c’è il glicerolo a cui spetta il compito di catturare l’umidità dall’aria, nella regione intermedia una struttura rialzata in polivinilpirrolidone funge da “serbatoio”, mentre al centro uno strato di cera controlla il rilascio dell’acqua.
Questo particolare design ad assorbimento periferico ed evaporazione centrale consente un trasporto unidirezionale controllato dell’umidità su un singolo foglio di carta.
“Non è stato facile integrare tre aree diverse in un unico documento, ma volevo che fosse tutto stampabile in modo da poterlo produrre in serie e su larga scala – ha affermato Choi – ma volevo che fosse tutto stampabile in modo da poterlo produrre in serie e su larga scala”.
Per renderla esteticamente gradevole tutti i cablaggi dei MEG sono stati posizionati sul retro della carta da parati.
Le performance? Per ora molto contenute ma comunque interessanti. Una singola unità eroga circa 0,34 V e circa 2,2 µW/cm2 con un’umidità relativa all’80%, garantendo un’uscita stabile per oltre 90 minuti. Un pannello di 1596 unità può alimentare una tastiera wireless e ridurre simultaneamente l’umidità interna dal 38% al 32%, trasformando le superfici murali passive in interfacce autoalimentate e reattive al clima.
L’obiettivo ora è quello di migliorare ulteriormente la tecnologia per generare una quantità di energia maggiore.
