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Questi stivali sono stati realizzati per generare energia
James Wimshurst è stato un ingegnere e inventore del 19° secolo che ha ideato un'affascinante macchina per generare alti voltaggi. La macchina che oggi porta il suo nome è composta da due dischi controrotanti muniti di toppe metalliche.
I dischi sono a contatto con due spazzole metalliche collegate a una coppia di sfere metalliche separate da un piccolo spazio vuoto. Le spazzole raccolgono la carica dai dischi, che si accumula sulle sfere in modo che, alla fine, una scintilla salti attraverso lo spazio tra di loro. Il meccanismo che carica le sfere è l'induzione elettrica, che amplifica ogni piccola carica sulle toppe metalliche.
Nel XIX e all'inizio del XX secolo, fisici e ingegneri utilizzarono macchine Wimshurst e dispositivi simili per alimentare macchine a raggi X e persino acceleratori di particelle. Ma oggi queste macchine sono rare, utilizzate solo nei musei scientifici e nelle aule per dimostrare i principi dell'elettrostatica.
Oggi le cose potrebbero cambiare grazie al lavoro di Maria Napoli e dei colleghi dell'Università della California, Santa Barbara, che hanno reinventato la macchina Wimshurst per il 21° secolo. Queste persone hanno creato una versione microfluidica in grado di raccogliere energia dall'ambiente e trasformarla in energia utilizzabile.
Nel nuovo dispositivo, le goccioline di mercurio nell'olio scorrono attraverso un canale scavato in un foglio di plastica PDMS (polidimetilsilossano). Il canale trasporta le goccioline di mercurio l'una sull'altra in direzioni opposte, proprio come i dischi controrotanti in una macchina Wimshurst convenzionale.
Gli elettrodi incorporati nel canale microfluidico portano via la carica mentre si accumula. Ma invece di creare scintille, questa carica può essere usata come potere. Napoli e co calcolano che un circuito in scala centimetrica con canali larghi appena 300 micrometri, con gocce di mercurio che scorrono a una velocità di 10 millimetri al secondo, potrebbe generare circa 12 microwatt di potenza.
Il team ha costruito un dispositivo di prova di principio per testare l'idea. La macchina microfluidica Wimshurst è costituita da un canale principale lungo appena cinque centimetri, che trasporta pochi millimetri cubi di mercurio. Genera una piccola frazione della potenza massima teorica, solo quattro nanowatt.
Ma questo non infastidisce la squadra. La microfluidica consente una serie di miglioramenti che non sono possibili con i dispositivi a stato solido, come modificare la larghezza e la separazione dei canali e controllare meglio la dimensione e la distribuzione delle goccioline.
I calcoli indicano che miglioramenti diretti alla geometria dovrebbero essere in grado di aumentare la potenza di uscita di un dispositivo a canale singolo fino a tre ordini di grandezza, dicono.
Inoltre, diversi canali possono essere facilmente eseguiti in serie o in parallelo per generare ancora più potenza. E un grande vantaggio di questo tipo di dispositivo microfluidico rispetto ad altri raccoglitori di energia è che non deve funzionare a una frequenza di risonanza.
Napoli e compagni studiano il potenziale output di questo tipo di dispositivo azionato da una pompa a diaframma nel tallone di uno stivale. Supponendo che una persona possa camminare alla velocità di un passo al secondo, una pompa di due centimetri di diametro potrebbe fornire un flusso sufficiente per 250 canali microfluidici paralleli, che insieme produrrebbero una potenza di circa 10 milliwatt, affermano Napoli e co.
È abbastanza per alimentare il laser in un'unità DVD e una quantità promettente per vari dispositivi e sensori di comunicazione a bassa energia attualmente in fase di sviluppo.
C'è quindi una buona ragione per aspettarsi che una versione ingrandita del nostro dispositivo prototipo possa essere portatile, pratica e sufficientemente potente per una varietà di usi di raccolta di energia, concludono.
Naturalmente, ci sono sfide da affrontare. Una domanda importante incombe sulla durata di un dispositivo del genere, dato il martellamento che gli stivali subiscono durante la loro vita. Ma questa è una domanda di sviluppo su cui il team può lavorare.
Forse non passerà molto tempo prima che il modo migliore per ricaricare un telefono sarà quello di tirare su un paio di pompe e andare a correre. Wimshurst sarebbe sicuramente stupito.
Rif: arxiv.org/abs/1803.02454 : Raccolta di energia con una macchina per l'influenza microfluidica di metalli liquidi