L’energia è essenziale: non possiamo vivere senza. Tutto ciò che ci circonda, oltre alla materia, è energia. Che tipo di energia abbiamo e perché?
Nei nostri precedenti articoli della serie, abbiamo analizzato l’esistenza delle onde gravitazionali che ci piombano addosso, oltre a tutta una serie di suoni e raggi cosmici, cioè elettroni e particelle varie che navigano nell’universo seguendo la sua evoluzione. La relatività di Einstein descrive la natura fisica delle onde gravitazionali. Esse portano energia, valori energetici molto bassi, a differenza dei fotoni (quanti) che il sole ci invia gratuitamente e senza costi aggiuntivi per alimentare le nostre case. Il sole stesso rappresenta la più importante fonte illimitata che ci permette di utilizzare l’elettricità gratuita o di raccogliere l’energia solare per produrre elettricità. Nuovi metodi di progettazione e produzione hanno permesso ai moderni pannelli solari di essere più convenienti e più efficienti. L’energy harvesting raccoglie piccole quantità di energia che alimentano tutta una serie di piccoli dispositivi che ora si stanno avvicinando all’IoT (Internet of things, cioè tutto ciò che è connesso – lo smartphone è un esempio di dispositivo IoT).
Oggi sappiamo che i raggi cosmici sono frammenti di atomi come protoni (particelle con carica positiva), elettroni (particelle con carica negativa) e nuclei atomici. I raggi cosmici piovono costantemente sulla Terra e, mentre i raggi “primari” ad alta energia si scontrano con gli atomi nell’alta atmosfera terrestre e raramente raggiungono il suolo, le particelle “secondarie” vengono espulse da questa collisione e ci raggiungono. Ma quando questi raggi cosmici raggiungono la Terra, è impossibile risalire alla loro origine. Questo perché il loro percorso ha subito delle modifiche mentre attraversavano diversi campi magnetici (la galassia, il sistema solare e la Terra stessa). Gli scienziati stanno cercando di risalire alle origini di questi raggi cosmici osservando la loro composizione.
La richiesta di nuove fonti è sempre stata un tema caldo. Oggi è ancora più importante, con la crescente necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti di combustibili fossili. L’energy harvesting è l’innovativa “alimentazione” del prossimo futuro. L’energia è presente intorno a noi, sia come fonte artificiale (vedi le sorgenti mobili di radiofrequenza) sia come fonte naturale, come la radiazione solare in termini di fotoni o particelle subatomiche. L’energy harvesting è una tecnica utilizzata per raccogliere energia dall’ambiente e successivamente convertirla in energia o elettricità. Questa conversione sfrutta diverse fonti di energia, tra cui la luce, il calore e le fonti vibrazionali. Le tecniche fotoelettriche, termoelettriche, piezoelettriche ed elettrodinamiche sono ben note e spesso utilizzate per alimentare i nodi di rilevamento delle reti di sensori wireless (WSN), che trasmettono i dati a un controllore centrale dell’IoT. Le tecnologie di energy harvesting possono essere utilizzate per migliorare l’affidabilità e la disponibilità dei sistemi industriali. In questi contesti industriali, possono essere i macchinari stessi a fornire fonti di energia “intrinseca”, come il calore e le vibrazioni. Ad esempio, un generatore termoelettrico (TEG) può utilizzare la differenza di temperatura tra un motore e l’ambiente, in alcuni casi fino a 10°C, per fornire l’energia necessaria ad alimentare un sensore wireless. Indipendentemente dalla tecnica di raccolta dell’energia utilizzata, il sensore potrebbe fornire un input critico al sistema di monitoraggio della salute della macchina, ma potrebbe anche essere un elemento di feedback facilmente installabile (senza necessità di cablaggio) nel sistema di controllo.
Gli indossabili per uso medico sono dispositivi in grado di rilevare, memorizzare e trasmettere parametri vitali (ad esempio, frequenza cardiaca, saturazione di ossigeno e frequenza respiratoria). Questi parametri vengono misurati in tempo reale e indicano il superamento di determinate soglie critiche. Le soluzioni di energy harvesting sono state progettate come fonte di energia ausiliaria per le batterie o come fonte autonoma per l’uso permanente di dispositivi indossabili senza restrizioni associate al consumo di energia. Proviamo ad analizzare alcune fonti, o almeno alcune tecniche utilizzate per la raccolta di energia, e iniziamo con quella più comune, l’energia solare.
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