Un nuovo concetto di motore termico senza parti mobili

Un motore termico privo di parti mobili. E’ quanto recentemente sviluppato dagli scienziati del MIT (Massachussetts Institute of Technology) in collaborazione con gli esperti del National Renewable Energy Laboratory (NREL). Questa soluzione all’avanguardia converte il calore in elettricità con un’efficienza superiore al 40% rispetto alle tradizionali turbine a vapore.

L’innovativo propulsore si compone di una cella termofotovoltaica (TPV) – del tutto simile alle celle fotovoltaiche di un pannello solare – che cattura passivamente fotoni ad alta energia da una fonte di calore incandescente tra 1900 e 2400 °C e li converte in elettricità.

L’obiettivo dei ricercatori è adesso quello di incorporare la cella TPV in una batteria termica, in modo da far assorbire l’energia in eccesso da fonti rinnovabili come il sole per poi immagazzinarla in banchi isolati di grafite. Quando serve più energia, come nelle giornate nuvolose, le celle TPV possono trasformare il calore in elettricità e distribuirla alla rete. Il processo è stato testato con successo su piccola scala, ma i ricercatori sperano di estenderlo al fine di promuovere un sistema completamente decarbonizzato. I risultati dello studio sono già stati pubblicati all’interno di Nature.

Più del 90% dell’elettricità mondiale proviene oggi da fonti di calore quali carbone, gas naturale, energia nucleare ed energia solare concentrata. Per un secolo, le turbine a vapore sono state lo standard industriale per convertire tali fonti in elettricità. In media, le turbine a vapore convertono in modo affidabile il 35% di una fonte di calore in elettricità, con circa il 60% che rappresenta la più alta efficienza di qualsiasi motore termico finora pienamente disponibile. Ma i macchinari dipendono da parti mobili a temperatura limitata. Fonti di calore superiori a 2.000 °C utilizzerebbero temperature fin troppo elevate per le tradizionali turbine. Gli scienziati hanno quindi esaminato alternative allo stato solido: il motore termico senza parti mobili potrebbe potenzialmente funzionare in modo efficiente a temperature più elevate. Le celle TPV hanno offerto un percorso esplorativo verso l’introduzione di tipologie di motore termico a stato solido. Proprio come le celle solari, le celle TPV potrebbero essere realizzate con materiali semiconduttori con un particolare gap di banda, ovvero il divario tra la banda di valenza di un materiale e la sua banda di conduzione. Se un fotone con un’energia sufficientemente elevata viene assorbito dal materiale, può inviare un elettrone attraverso il gap di banda, dove l’elettrone può condurre e generare elettricità senza muovere rotori o pale.

Al momento, la maggior parte delle celle TPV ha raggiunto efficienze di circa il 20%, con valori massimi del 32%, in quanto sono state realizzate con materiali a banda relativamente ridotta che convertono fotoni a bassa temperatura ed energia e dunque trasformano l’energia in modo meno efficiente. Il progetto di motore termico presentato dal MIT-NREL ha permesso di catturare fotoni di energia più elevata da una fonte di calore a una temperatura più alta, ottenendo così una maggiore efficienza.

Funzionamento

La cella si distingue per tre regioni principali: una lega ad alto intervallo di banda, che si trova su una lega a intervallo di banda leggermente inferiore, al di sotto della quale si trova uno strato d’oro simile a uno specchio. Il primo strato cattura i fotoni a più elevata energia di una fonte di calore e li converte in elettricità, mentre i fotoni a bassa energia che passano attraverso il primo strato vengono catturati dal secondo ed elaborati per aggiungersi alla tensione generata. Tutti i fotoni che passano attraverso questo secondo strato vengono riflessi dallo specchio invece di essere assorbiti come calore sprecato.

Il team ha valutato l’efficienza della cella posizionandola su un sensore di flusso di calore, un dispositivo che misura direttamente il calore assorbito dalla cella. Hanno esposto la cellula a una lampada ad alta temperatura e concentrato la luce sulla cellula. Successivamente hanno variato l’intensità o la temperatura della lampadina e hanno osservato come l’efficienza energetica della cella, cioè la quantità di energia prodotta rispetto al calore assorbito, cambiava con la temperatura. In un intervallo compreso tra 1.900 e 2.400 °C, la nuova cella TPV è riuscita a conservare un’efficienza vicina al 40%.

La cella utilizzata durante i test di questo interessante motore termico presenta dimensioni pari a circa un centimetro quadrato. Per un sistema di batterie termiche a scala di rete, si prevede che le celle TPV dovrebbero scalare fino a circa 900 metri quadrati (circa un quarto di un campo da calcio) e funzionerebbero in magazzini climatizzati per attingere energia da enormi banche di stoccaggio. Una visione di futuro che secondo gli autori del lavoro potrebbe trovare impiego anche nell’automotive.