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Sfruttare l'energia solare diretta per la propulsione
Il sole è la fonte più abbondante di energia rinnovabile. Ma tutte le tecnologie che sfruttano la luce solare, compresi il fotovoltaico e i biocarburanti, richiedono passaggi intermedi e infrastrutture per trasformare i raggi del sole in qualcosa che può essere utilizzato per eseguire lavori in una macchina. I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, stanno utilizzando nanotubi di carbonio per costruire piccole e semplici macchine a base d'acqua azionate direttamente dalla luce solare. In teoria, dicono, queste macchine potrebbero essere ingrandite per realizzare pompe che generano energia alimentate direttamente dal sole.
Rotazione solare: Un rotore a quattro alette (al centro) che galleggia su una pozza d'acqua ruota quando viene esposto alla luce solare. A sinistra c'è una lente utilizzata per dirigere la luce solare sul rotore; la forma luminosa accanto al rotore è la luce solare riflessa.
Le macchine alimentate dal sole si basano sulla tensione superficiale dell'acqua. Le molecole d'acqua sono fortemente attratte l'una dall'altra. Queste interazioni ad alta energia possono, nelle giuste condizioni, trascinare oggetti attraverso l'acqua. Le macchine Berkeley sono pezzi di plastica trasparente, circa un centimetro sul lato più lungo, incastonati con strisce di nanotubi di carbonio allineati verticalmente. Quando la luce del sole o di un laser viene focalizzata sulla macchina che galleggia su una pozza d'acqua, i nanotubi si riscaldano e riscaldano l'acqua che li circonda. Ciò provoca una diminuzione della tensione superficiale localizzata in una zona della macchina, che a sua volta viene spinta in avanti allontanandosi dalla parte a bassa tensione della superficie.
Altri sistemi simili rompono la tensione superficiale utilizzando impulsi elettrici, ma ciò richiede una fonte di alimentazione come una batteria o una cella solare. Questo è meglio perché elimini l'intermediario e ti alleni molto, dice Alex Zettl , un professore di fisica della materia condensata a Berkeley che ha guidato il gruppo di ricerca con Jean MJ Frechet , professore di chimica e ingegneria chimica. Pensiamo di aver capito qualcosa perché la tensione superficiale è molto potente, afferma Zettl.
Finora, il team di Berkeley ha dimostrato due macchine di base a energia solare. Il primo, una barca rettangolare di plastica con una striscia di nanotubi sul retro, esegue un movimento lineare. Dirigendo la luce laser o utilizzando una lente per focalizzare la luce solare al centro della striscia di nanotubi o ai suoi angoli, la barca può essere diretta in avanti o in cerchio. Quando la luce è focalizzata su di essa, una barca lunga circa un centimetro può viaggiare a una velocità di otto centimetri al secondo. La seconda macchina è un semplice rotore con una striscia di nanotubi su un lato di ciascuna delle sue quattro alette. Quando esposto alla luce solare diretta, ruota a circa 70 rotazioni al minuto. Entrambe le macchine sono state testate solo in contenitori in laboratorio.
Carbone nero: Gli array verticali di nanotubi di carbonio, mostrati qui incorporati in un polimero trasparente, assorbono quasi tutta la luce solare che li colpisce. Questa micrografia elettronica a scansione mostra il bordo di una delle barche.
Si tratta di cose piuttosto semplici, ma rese possibili da materiali sofisticati, afferma Zettl. All'inizio di questo mese, i ricercatori dell'Università giapponese Meijo hanno stabilito che i nanotubi di carbonio disposti in matrici verticali simili a foreste sono i il più nero materiali mai testati, assorbendo quasi tutta la luce che cade su di essi. Questo materiale ha le proprietà ideali per raccogliere energia dal sole, afferma Fréchet.
Zettl e Fréchet affermano che, in teoria, questi effetti di tensione superficiale termica dovrebbero essere scalabili. Il gruppo di Berkeley ha iniziato con macchine su scala millimetrica non solo perché erano convenienti da testare in laboratorio, ma anche perché la manipolazione di oggetti di queste dimensioni in un liquido pone sfide particolari. La turbolenza è un fattore enorme su scala millimetrica, afferma Fréchet. Il meccanismo alimentato dalla luce potrebbe essere potenzialmente utilizzato per spostare oggetti su scala nanometrica attraverso dispositivi microfluidici impiegati per la diagnostica medica. Su scala nanometrica, afferma Fréchet, la tensione superficiale batte la gravità. I ricercatori sperano anche di ampliare il loro lavoro per realizzare barche reali. Le lenti montate sul retro di una grande barca dovrebbero concentrare la luce solare sufficiente sui nanotubi assorbenti per spingerla. Sperano anche di realizzare grandi rotori incorporati in nanotubi per generatori alimentati dal sole.
Ora hanno bisogno di vedere se funzionerà in un ambiente reale, afferma Dean Alhorn, ingegnere capo del satellite a energia solare della NASA NanoSail-D . Il satellite della NASA, che è stato testato questa estate, utilizza un materiale riflettente per assorbire la quantità di moto, piuttosto che il calore, dai fotoni; questa tecnologia dovrebbe funzionare bene nel vuoto dello spazio, ma non è stata pratica sulla Terra. Alhorn afferma che Zettl e Fréchet hanno solidamente dimostrato che è la luce, non qualcos'altro, a far muovere le piccole barche. Tuttavia, nota che le macchine sono state testate solo in vasche d'acqua all'interno del laboratorio. Alhorn dice che i ricercatori dovranno rispondere alla domanda, quanta forza possono generare, rispetto a forze opposte come le onde nel mondo reale?
In effetti, i ricercatori di Berkeley affermano che il loro prossimo passo è progettare ulteriormente i loro dispositivi. Questo potrebbe essere molto efficiente perché i nanotubi assorbono la luce così bene, ma dobbiamo vedere se questo è un sistema termodinamico praticabile, afferma Zettl.