Per ottenere grandi risultati, a volte si deve pensare in piccolo, anzi, piccolissimo. Lo dimostra la recente ricerca dell’Università dei Paesi Baschi che, lavorando su scala nanoscopica, ha trovato un modo per migliorare le prestazioni delle torri impiegate nel solare a concentrazione (CSP – Concentrated solar power). Come spiegato sulla rivista Solar Energy Materials and Solar Cells, il gruppo di scienziati ha sintetizzato speciali nanoaghi a base di rame-cobalto in grado di regalare elevate prestazioni ottiche e termiche agli assorbitori dei ricevitori centrali.
Lo studio si inserisce nella nuova ondata di ricerche sulla terza generazione del solare termodinamico, sforzo scientifico sponsorizzato dal Dipartimento statunitense dell’Energia, che mira a un target preciso: raggiungere un’efficienza del ciclo del 50%, corrispondente a una temperatura di ingresso della turbina superiore a 700 °C. E in questo modo cercare di portare i costi dell’energia a 0,05$/kWh entro il 2030.
Il design più promettente in questo campo è quello della torre solare che impiega aria come fluido termovettore. Questi sistemi utilizzano un campo di eliostati per concentrare la luce solare sul ricevitore centrale che scalda l’aria; questa a sua volta è usata per far girare una turbina e alimentare un generatore.
L’obiettivo è ovviamente ottenere il massimo assorbimento solare a livello del ricevitore, motivo per cui i materiali impiegati sono o comunque dovrebbero essere ultra-neri. Peccato che i materiali più neri disponibili sul mercato siano, attualmente, a base di nanotubi di carbonio allineati verticalmente: perfetti a livello ottico, ma scadenti alle alte temperature o in presenza di umidità. Per questo motivo, devono essere rivestiti con materiali più resistenti alle temperature, riducendo però l’ottimizzazione.
Tra i possibili materiali alternativi da impiegare nelle torri solari, da oggi c’è anche l’innovazione dell’Università dei Paesi Baschi. Il gruppo ha realizzato materiali ultra neri impiegando composti refrattari. Nel dettaglio, i ricercatori hanno creato minuscoli aghi in rame e cobalto, rivestendoli con un sottile strato di ossido di zinco drogato con alluminio (AZO).
Questo film, trasparente alla radiazione visibile ma opaco e altamente assorbente nel medio infrarosso, ne migliora notevolmente le proprietà ottiche. E soprattutto, porta a un valore molto basso di riflettanza in un’ampia gamma spettrale, dall’ultravioletto al vicino infrarosso.
Questa proprietà, spiegano gli autori, è presente anche ad angoli di incidenza molto grandi, il che rende i nuovi nanoaghi particolarmente interessanti per aumentare l’angolo di accettazione dei sistemi di solare a concentrazione con ricevitore centrale. I test di laboratorio hanno mostrato che questo nanomateriale possiede valori di assorbanza superiori al 99% per la maggior parte degli angoli di incidenza.
Non solo. “Le sue proprietà ottiche sono termicamente resistenti, il che suggerisce che il materiale può essere utilizzato come alternativa ad alta temperatura ai rivestimenti ultra-neri realizzati con nanotubi di carbonio allineati verticalmente”.
“Futuri lavori – concludono gli scienziati – potrebbero esplorare l’effetto del rivestimento di questi nanoaghi con materiali più conduttivi, come il TiN, per aumentare ulteriormente l’assorbimento della radiazione oltre il 99,5%”.
La ricerca AZO-coated refractory nanoneedles as ultra-black wide-angle solar absorbers è consultabile su Solar Energy Materials and Solar Cells.