Una cella a combustibile nel tuo telefono

In un parco industriale di Los Alamos, NM, non lontano dal luogo di nascita del laboratorio della bomba atomica, Robert Hockaday siede nel laboratorio disordinato della sua startup Manhattan Scientifics, con in mano un pezzo di plastica trasparente delle dimensioni di un biglietto da visita. Un'ispezione più ravvicinata mostra un motivo simile a un circuito stampato di platino nero e rutenio stampato su entrambi i lati. L'aggeggio sono le viscere di una centrale elettrica di cinque centimetri per 13 centimetri che genera la propria elettricità usando il metanolo come combustibile. Potrebbe non sembrare molto a prima vista, ma è un membro di una nuova classe di piccoli alimentatori che è pronto per esplodere sul mercato e che potrebbe annientare una delle tecnologie più onnipresenti al mondo, la batteria.

Queste centrali elettriche in miniatura, chiamate micro celle a combustibile, promettono un enorme aumento di potenza per l'elettronica portatile che va dai telefoni cellulari ai computer portatili alle future generazioni di dispositivi palmari abilitati al Web assetati di energia. Le migliori batterie per cellulari agli ioni di litio di oggi forniscono una media di sole quattro ore di conversazione; le microcelle a combustibile potrebbero fornire fino a 20 ore di conversazione. E dopo, invece di collegare il telefono cellulare durante la notte o scambiare le batterie, inseriresti semplicemente una nuova cartuccia di metanolo.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2001

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Le celle a combustibile, ovviamente, stanno già irrompendo sul mercato in altre forme e in dimensioni molto più grandi. Gli autobus alimentati a celle a combustibile stanno facendo la loro prima apparizione e le auto sono le prossime ( vedere Fai il pieno di idrogeno , TR novembre/dicembre 2000 ). Stanno diventando disponibili anche celle a combustibile che forniscono alimentazione di backup per case e uffici ( vedere Potere al popolo , TR maggio 2001 ). Electrolux ha persino prototipato un aspirapolvere a celle a combustibile senza fili. Tra gli altri vantaggi, le celle a combustibile utilizzano fonti di energia prontamente disponibili, ovvero idrogeno o metanolo, e producono solo acqua, anidride carbonica e calore come prodotti di scarto.

Ora, l'industria si sta preparando per realizzare celle a combustibile sufficientemente piccole per l'elettronica di consumo. Costruire celle a combustibile pratiche, questi piccoli dispositivi che producono da un decimo di watt a 50 watt, presenta enormi sfide di ingegneria e materiali, ma l'opportunità di mercato è enorme. Le celle a combustibile portatili hanno il vero potenziale di essere redditizie in un lasso di tempo più breve rispetto alle applicazioni fisse o automobilistiche delle celle a combustibile, afferma Atakan Ozbek, vicepresidente per la ricerca energetica presso Allied Business Intelligence, una società di ricerca tecnologica a Oyster Bay, NY. In cinque anni questo potrebbe diventare un mercato potenzialmente da un miliardo di dollari l'anno. Questa industria sta per esplodere.

Non sorprende che una corsa alla commercializzazione della tecnologia sia in pieno svolgimento e includa tutti, da Motorola e il gigante dell'elettronica coreano Samsung a società di avvio come Hockaday. I concorrenti stanno scommettendo su design diversi e anche su prodotti chimici leggermente diversi, ma condividono un obiettivo comune: prendere un boccone dal mercato mondiale da 6 miliardi di dollari per le batterie ricaricabili.

È probabile che la prima applicazione di successo siano le celle a combustibile a metanolo che producono circa un decimo di watt e possono ricaricare le batterie convenzionali, liberando i consumatori dall'accendisigari del cruscotto o dalla presa a muro. Le prossime saranno le celle a combustibile abbastanza piccole da stare effettivamente nei vani batteria dei telefoni esistenti e tuttavia abbastanza potenti - un watt per i telefoni cellulari, 50 watt per i computer portatili - da utilizzare per l'alimentazione diretta.

Ancora più lontano all'orizzonte, i microchip saranno alimentati direttamente da celle a combustibile integrate. Queste celle a combustibile forniranno un vantaggio alla miniaturizzazione eliminando la necessità di fonti di energia separate. Saranno progettati su misura per fornire precise esigenze di alimentazione. E i costi di produzione dovrebbero diminuire quando sia il chip che la fonte di alimentazione sono fabbricati come un'unica unità. I chip autoalimentati, a loro volta, potrebbero consentire una futura generazione di gadget autosufficienti, come minuscoli sensori in rete che possono operare in aree remote, rilevando inquinanti, tossine da guerra biologica o qualsiasi altra cosa che debba essere rilevata e inviando i dati per mesi.

Diventare piccoli

Il problema con le batterie convenzionali è che si basano sull'elettrochimica che risale alla fine del XVIII secolo e presentano alcune gravi limitazioni. In particolare, una volta che la fornitura di sostanze chimiche all'interno della batteria ha finito di reagire, la batteria si esaurisce. Devi collegarlo a un caricabatterie collegato alla presa a muro o buttarlo via, preferibilmente nel cestino a causa di ingredienti tossici come cadmio e mercurio. E non è probabile che le batterie migliorino molto; praticamente ogni combinazione chimica è stata provata, afferma Shimshon Gottesfeld, chief technology officer di Mechanical Technology di Albany, NY, un'azienda che sviluppa micro celle a combustibile. Anche le migliori batterie hanno poche possibilità di andare molto più in alto nella potenza che possono produrre in base al peso, dice.

Le celle a combustibile sono più complesse, ma offrono vantaggi fondamentali. Finché c'è una fornitura di idrogeno o metanolo, la cella a combustibile produrrà elettricità. Inoltre, grazie ai combustibili ad alta energia che utilizzano, le celle a combustibile producono più energia per il loro peso rispetto alle batterie.

Ma le celle a combustibile sono difficili da progettare e quelle più piccole sono le più resistenti di tutte. Le sfide progettuali per le micro celle a combustibile iniziano con la scelta del combustibile. L'idrogeno è poco pratico; è un gas e deve essere compresso a pressioni molto elevate, e anche allora richiede serbatoi troppo grandi per l'elettronica portatile. Le miscele metanolo/acqua vengono conservate più facilmente in una piccola cella a combustibile, ma il loro utilizzo crea nuovi ostacoli ingegneristici. Per gestire un combustibile liquido sono necessarie pompe e tubi minuscoli. Poi ci sono le acque reflue. Nemmeno gli utenti più accaniti di telefoni cellulari tollererebbe alimentatori che gocciolano sulle loro spalle, quindi le celle a combustibile devono far evaporare l'acqua. Tutte le celle a combustibile creano calore; le versioni piccole funzionano a una temperatura compresa tra 15 gradi C e 60 gradi centigradi. Sebbene ciò fornisca un mezzo per evaporare l'acqua di scarico, richiede anche il giusto equilibrio tra isolamento e ventilazione.

Riporre tutto questo in un elegante pacchetto delle dimensioni di un paio di celle AA rappresenta una vera sfida. E data l'agguerrita concorrenza per commercializzare una micro cella a combustibile, la maggior parte degli attori aziendali sono cauti su come hanno iniziato a risolvere questi problemi. C'è un sacco di atteggiamenti tra le aziende, ma è quello che ti aspetteresti nelle prime fasi mentre cercano di mantenere le loro posizioni, afferma l'osservatore delle celle a combustibile Chris Dyer, editore del Journal of Power Sources. Ma, aggiunge, questo non è fumo e specchi. È una vera tecnologia e richiede solo un po' di ingegneria intelligente per farla funzionare.

La maggior parte degli osservatori prevede che la prima microcella a combustibile sugli scaffali dei negozi sarà un dispositivo di ricarica che utilizza metanolo. Una mezza dozzina di aziende stanno lavorando a variazioni su questo tema, inclusa Manhattan Scientifics. Nel design di Hockaday, i componenti delle celle a combustibile non sono disposti in una pila, come le tradizionali celle a combustibile per autoveicoli. Piuttosto, sono disposti uno accanto all'altro, come i componenti di un microprocessore, rendendoli suscettibili di tecniche di produzione di semiconduttori.

Mechanical Technology ha già co-fondato una società che vende centrali elettriche a celle a combustibile commerciali e residenziali delle dimensioni di un frigorifero. Ora, Mechanical Technology sta puntando su cose più piccole, a partire dai dispositivi di ricarica. Siamo molto ottimisti sulle prospettive di commercializzazione di questo, afferma Gottesfeld di Mechanical Technology, ex direttore del programma di ricerca sulle celle a combustibile del laboratorio di Los Alamos. Non stiamo solo cercando caricabatterie, ma un sistema completo per telefoni cellulari. Stiamo anche esaminando altre possibilità come i laptop, il mercato dei giocattoli e gli utensili elettrici.

Anche Motorola e la coreana Samsung stanno sviluppando attivamente prototipi. Hyuk Chang, ricercatore principale presso il Samsung Advanced Institute of Technology fuori Seoul, afferma che l'obiettivo dell'azienda è dimostrare modelli funzionanti in un anno, sempre con i dispositivi di ricarica in testa. Penso che ci vorranno altri due anni per passare dal laboratorio nelle mani dei clienti, afferma Chang. La domanda difficile è quale sarà la prima applicazione.

In Motorola, il leader del progetto sulle celle a combustibile Jerry Hallmark sta perseguendo una strategia che promette cartucce di carburante più piccole. Dice che l'azienda ha sviluppato minuscoli sistemi di fluidi che riciclano continuamente l'acqua nella miscela di carburante metanolo-acqua. Le cartucce di ricambio potrebbero contenere solo metanolo non diluito. La cella a combustibile non può funzionare con metanolo concentrato; ha bisogno di una soluzione diluita. Ma non vuoi portare un carburante diluito, dice. Hallmark aggiunge che probabilmente ci vorranno dai tre ai cinque anni prima che qualsiasi azienda, inclusa Motorola, inizi a vendere un prodotto.

Preparare un pugno

Ciò che Motorola e le altre società vogliono più di tutto, tuttavia, sono celle a combustibile simili a batterie che si agganciano direttamente ai telefoni e ad altri dispositivi elettronici, per alimentarli direttamente. Il telefono cellulare è uno dei più difficili, perché le persone vorrebbero sostituire la batteria con una cella a combustibile delle stesse dimensioni. Mi piacerebbe poterlo dare a loro, ma siamo molto lontani dall'avere qualcosa del genere, dice Hallmark.

Per realizzare questa visione, le aziende stanno perseguendo strategie diverse. Medis Technologies, con sede a New York, crede di poter realizzare una cella a combustibile che potrebbe sostituire la batteria del telefono cellulare, fornendo 20 ore di conversazione con il cellulare e centinaia di ore in standby con una singola cartuccia di combustibile. Robert K. Lifton, amministratore delegato di Medis, afferma che l'azienda utilizza un elettrolita liquido proprietario che può funzionare con concentrazioni più elevate di carburante e fornire di conseguenza più energia rispetto alle alternative convenzionali. Ma Medis non sta dicendo esattamente come funziona. Abbiamo circa 17 brevetti depositati e stiamo aspettando di ottenerli prima di discutere i dettagli, afferma Lifton. La strategia aziendale, tuttavia, non potrebbe essere più semplice: è l'approccio della lama di rasoio. Il guadagno per noi sarebbero le ricariche, a circa $ 1 per ricarica, spiega Lifton. Dice che Medis avrà un prototipo entro la fine di quest'anno.

Un'altra strategia prevede il trasporto del metanolo come combustibile e la sua conversione in idrogeno quando necessario. Poiché l'idrogeno racchiude più energia in peso rispetto al metanolo, lo schema potrebbe produrre celle a combustibile più potenti ed efficienti. Robert Savinell, professore di ingegneria chimica alla Case Western Reserve University, sta cercando di costruire una cella a combustibile così piccola; finora il suo gruppo ha costruito un prototipo di 25 centimetri quadrati.

La conversione chimica del metanolo in idrogeno, spesso chiamata reforming dagli ingegneri, è tecnologicamente abbastanza semplice, tranne quando si tenta di farlo su un dispositivo delle dimensioni di una miniatura. Le persone hanno costruito riformatori su larga scala per applicazioni a kilowatt, quindi la domanda non è se funzioni. La domanda è se puoi renderlo abbastanza piccolo da stare in un telefono cellulare o in un laptop, dice Hallmark di Motorola.

Potenza del chip

Al di là del giorno in cui l'elettronica è dotata di celle a combustibile integrate invece di batterie, si profila un'altra frontiera tecnologica: la costruzione di celle a combustibile direttamente sui chip. Già, il gruppo di Savinell a Case Western ha costruito un prototipo di soli 1,5 centimetri per due centimetri. Il suo gruppo ha utilizzato tecniche di microfabbricazione per stampare da cinque a sei strati di componenti di celle a combustibile - la membrana, l'elettrodo e il catalizzatore - su wafer di ceramica e silicio e, più recentemente, su un materiale polimerico flessibile. Su questa scala, usa l'idrogeno come combustibile, immagazzinato come boroidruro di sodio e rilasciato con un catalizzatore al platino. La speranza è di fornire energia a un chip con un sensore e un trasmettitore, un dispositivo totalmente autosufficiente, afferma Savinell.

Anche i ricercatori del Georgia Institute of Technology, del MIT, della Stanford University e dei Sandia National Laboratories di Livermore, in California, stanno lavorando alla costruzione di celle a combustibile a scala di chip. Per far funzionare questi dispositivi con metanolo facilmente immagazzinabile, Paul A. Kohl, professore di ingegneria chimica presso la Georgia Tech, sta fabbricando minuscoli canali sul silicio attraverso i quali possono passare metanolo e acqua. Questi canali potrebbero essere creati su una catena di montaggio di chip di silicio convenzionale. Potresti progettare la cella a combustibile per fornire esattamente la potenza che desideri e avere le dimensioni che desideri, afferma Kohl.

Oltre a ridurre le celle a combustibile alla scala del chip, un altro obiettivo a lungo termine è consentire alle celle a combustibile di sfruttare direttamente la potenza dell'idrogeno ma evitare i serbatoi ad alta pressione. Un approccio ambizioso farebbe uso di nanotubi di carbonio: molecole di carbonio simili a tubi che hanno la capacità di immagazzinare e rilasciare idrogeno. I ricercatori immaginano nano contenitori pieni di idrogeno che potrebbero mantenere il ronzio delle celle a combustibile, ma ciò richiederà innovazioni nei materiali e nei metodi di produzione, afferma Michael Heben, leader di un gruppo di materiali nanostrutturati presso il National Renewable Energy Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti a Golden, CO Potrebbe essere che qualcuno metta il dito su questo nella prossima settimana, o potrebbero volerci 20 anni, dice.

I risultati più credibili e riproducibili fino ad oggi, afferma David Tomanek, professore di fisica alla Michigan State University, sono stati ottenuti da Mildred Dresselhaus, un fisico del MIT, e dai colleghi dell'Accademia cinese delle scienze che hanno riferito di aver trovato un modo per immagazzinare i nanotubi di carbonio Il 4,2% del loro peso in idrogeno. Potrebbe essere sufficiente per le micro celle a combustibile, afferma Tomanek. Sarà più leggero, più piccolo e più sicuro di un carro armato, anche al quattro per cento, e questo potrebbe essere fatto in un paio d'anni. Ma io sono un ottimista, dice. La stessa Dresselhaus è più prudente: al momento non abbiamo la bacchetta magica. Abbiamo un'apertura che dice: 'Questo è qualcosa da cercare'. Manca ancora il passaggio successivo. Il prossimo passo potrebbe arrivare entro questo decennio, aggiunge, ma abbiamo bisogno di un importante passo avanti.

Anche altri giganti dell'elettronica stanno sperimentando molecole di carbonio per migliorare le micro celle a combustibile. NEC ha riferito di utilizzare molecole a forma di corno note come nanocorni di carbonio come substrato per catalizzatori al platino, fornendo più superficie per reazioni chimiche più forti e più potenza. E Sony afferma che sta usando molecole di carbonio a forma di pallone da calcio note come fullereni, i componenti di base dei nanotubi di carbonio, per costruire elettroliti migliori.

Nel frattempo, le prime micro celle a combustibile si stanno avvicinando rapidamente al mercato. Naturalmente, i prototipi necessitano di una messa a punto continua per assicurarsi che il carburante non possa fuoriuscire e per aumentare la loro efficienza. Ma questi ostacoli sono relativamente minori, affermano gli osservatori del settore. Dopotutto, anche le batterie hanno avuto la loro parte di problemi di sviluppo. Le prime batterie al litio ad alta energia tendevano a prendere fuoco e persino ad esplodere. Come tutti i possessori di cellulari sanno, quei problemi sono stati risolti.

Ci sono molte ragioni - circa 6 miliardi di dollari, in effetti - per suggerire che lo stesso accadrà con le micro celle a combustibile, mettendo questi straordinari piccoli alimentatori nelle tasche di milioni di consumatori. In effetti, quando le microcelle a combustibile emergono da laboratori disordinati come l'avamposto di Los Alamos di Manhattan Scientifics, possono mettere le batterie, con la loro potenza limitata e i mal di testa per lo smaltimento dei rifiuti di metalli pesanti, nel cestino della tecnologia.

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