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Migliori celle a combustibile per laptop
Le batterie sono la rovina degli utenti di elettronica di consumo. Forniscono solo una quantità limitata di energia, impiegano ore per ricaricarsi e nel tempo diventano meno durevoli. Per anni, gli ingegneri hanno osservato le celle a combustibile, dispositivi che producono elettricità mescolando un carburante con molecole di ossigeno, come un'alimentazione alternativa più duratura. Ma la tecnologia ha sempre incontrato ostacoli che le impediscono di essere pratica ed economica come le batterie.
Ora i ricercatori del Biodesign Institute dell'Arizona State University a Tempe hanno sviluppato una tecnica che potrebbe aiutare a realizzare celle a combustibile migliori per laptop, dispositivi di comunicazione di livello militare e, potenzialmente, telefoni cellulari. In una ricerca presentata ieri all'incontro dell'American Chemical Society a San Francisco, Dominic Gervasio, professore associato presso il Center for Applied Nanobioscience dell'Arizona State, e il suo team hanno dimostrato che aggiungendo una sostanza chimica trovata nell'antigelo al sodio boroidruro, un liquido usato per immagazzinare idrogeno, la molecola che alimenta le celle a combustibile, possono creare una cella a combustibile più duratura. Il carburante risultante potrebbe alimentare un laptop due volte più a lungo di qualsiasi batteria sul mercato, pur consentendo il funzionamento a temperatura ambiente, a differenza di molte altre celle a combustibile.
Le celle a combustibile per dispositivi portatili hanno guadagnato terreno negli ultimi anni poiché la tecnologia alla base di esse è costantemente migliorata. In effetti, ora sono andati oltre i laboratori di ricerca e si sono fatti strada in varie forme di produzione. Millennium Cell, una società con sede a Eatontown, nel New Jersey, fornisce celle a combustibile per applicazioni militari. E per la fine dell'anno, Medis Technologies, con sede a New York, prevede di offrire un dispositivo consumer a celle a combustibile progettato per ricaricare istantaneamente le batterie standard di telefoni cellulari, lettori MP3 e laptop.
Il boroidruro di sodio, la soluzione utilizzata da Millennium Cell, Medis e dal team dell'Arizona State, sta diventando una scelta popolare per immagazzinare l'idrogeno per le celle a combustibile portatili, afferma Gervasio. Uno dei motivi è che viene utilizzato con il design di celle a combustibile più affermato. Questo tipo di cella a combustibile funziona combinando l'idrogeno con l'ossigeno dell'aria per produrre corrente elettrica. Inoltre, i sistemi che utilizzano il boroidruro di sodio possono essere ridotti come le batterie convenzionali perché la soluzione immagazzina una grande quantità di idrogeno in un piccolo volume. Inoltre, è un liquido relativamente sicuro che non è infiammabile. Potresti prendere un fiammifero e spegnerlo, dice Gervasio.
Ma per riuscire a sostituire le batterie, queste celle a combustibile devono dimostrarsi significativamente migliori delle batterie che intendono sostituire, afferma Gervasio. Attualmente, la maggior parte delle celle a combustibile al boroidruro di sodio produce solo leggermente più energia elettrica per volume di carburante rispetto alle batterie convenzionali, afferma. Per aumentare le prestazioni del loro sistema di celle a combustibile, Gervasio e il suo team sapevano di dover aumentare la quantità di idrogeno disponibile per la cella a combustibile dalla soluzione di boroidruro di sodio.
I sistemi a microcelle a combustibile generalmente contengono tre parti: una cartuccia di carburante, una camera di idrolisi in cui l'idrogeno viene estratto dal combustibile liquido e una cella a combustibile in cui l'idrogeno si mescola con l'ossigeno, creando elettricità. Nel sistema dei ricercatori dell'Arizona State, una miscela di acqua e sodio boroidruro viene pompata dalla cartuccia nella camera di idrolisi, che contiene un catalizzatore. Il catalizzatore innesca una reazione chimica che libera idrogeno dalla soluzione di boroidruro di sodio e crea anche sottoprodotti che vengono pompati fuori dalla camera e di nuovo nella cartuccia del carburante per essere smaltiti in seguito.
Sembrerebbe logico che l'aumento della concentrazione di boroidruro di sodio aumenterebbe la produzione di idrogeno e renderebbe il sistema di celle a combustibile più performante. Tuttavia, dice Gervasio, c'è un problema nascosto in questo scenario. Uno dei sottoprodotti della reazione di idrolisi è l'ossido di boro, un composto che non si dissolve facilmente in acqua. Quindi, quando la concentrazione di boroidruro di sodio aumenta, aumenta anche la concentrazione di ossido di boro solido, che intasa il sistema di pompaggio, limitando la quantità di boroidruro di sodio che può essere utilizzata, afferma Gervasio.
Per affrontare questo problema, Gervasio e il suo team hanno testato solventi che dissolvono l'ossido di boro. Hanno scoperto che aggiungendo glicole etilenico alla soluzione di idruro di boro, potevano utilizzare una concentrazione di boroidruro di sodio 50 percento più forte di una senza glicole etilenico nella soluzione, aumentando la quantità di idrogeno che può essere immagazzinato e liberato, senza produrre i grumi indesiderati di ossido di boro. La differenza, afferma Gervasio, è un sistema di celle a combustibile che può alimentare un dispositivo circa il doppio di una batteria delle stesse dimensioni e peso.
Il glicole etilenico è utile non solo per la sua capacità di dissolvere l'ossido di boro, ma anche per gestire la temperatura dell'acqua nella cella a combustibile, aggiunge Gervasio. Il glicole etilenico riduce il punto di congelamento e aumenta il punto di ebollizione dell'acqua nelle celle a combustibile, proprio come fa nell'antigelo del sistema di raffreddamento di un'auto. Un punto di congelamento ridotto impedisce all'acqua nella soluzione di boroidruro di sodio di trasformarsi in ghiaccio in una giornata fredda, mentre un punto di ebollizione aumentato potrebbe mantenere il sistema più fluido a temperature più elevate.
In effetti, la gestione del calore è un aspetto della tecnologia delle celle a combustibile che gli ingegneri devono considerare quando progettano celle a combustibile efficienti, afferma Jack Brouwer, direttore associato del National Fuel Cell Research Center presso l'Università della California, Irvine. E ritiene che la ricerca dello Stato dell'Arizona sia un lavoro davvero interessante al riguardo.
John Battaglini, vicepresidente delle vendite, del marketing e della gestione dei prodotti per Millennium Cell, afferma che la sua azienda ha adottato approcci simili nello sviluppo delle celle a combustibile; e aggiunge che è felice di vedere più persone che guardano al boroidruro di sodio e si aspetta che porti ad altri progressi lungo la linea.
In questo momento, il team di Gervasio sta esaminando diversi tipi di additivi per alcol che dissolvono l'ossido di boro così come o meglio del glicole etilenico. Stima che potrebbero volerci circa cinque anni prima che il suo sistema venga incorporato in un laptop consumer. Ma la palla sta girando: ha depositato una serie di brevetti sulla tecnologia ed è in trattative con i produttori di dispositivi sui suoi recenti progressi. Ho molte speranze per questo, dice.