Convertitori termoelettrici basati su silicio nanostrutturato: università e azienda insieme per la ricerca

Pubblicato il 6 luglio 2011

L’Università di Milano-Bicocca ed Erg hanno costituito il Consorzio Delta Ti Research per lo sviluppo di una metodologia industriale finalizzata alla produzione di convertitori termoelettrici basati su silicio nanostrutturato.

I convertitori di nuova generazione si basano su una serie di brevetti di proprietà del Consorzio che sfruttano un fenomeno fisico noto come effetto Seebeck. L’effetto Seebeck, dal nome del fisico Thomas J. Seebeck che lo scoprì nel 1821, è un fenomeno termoelettrico per cui, in un circuito costituito da coppie di conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. Fino ad oggi, però, questo principio, alla base delle termocoppie, è stato scarsamente sfruttato dall’industria energetica perché il rendimento dei convertitori è di norma modesto a fronte di costi di produzione troppo elevati.

Le invenzioni brevettate, basate sul know-how del dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, consentono invece la produzione su scala industriale di generatori ad alta efficienza che impiegano materiali di larga reperibilità (silicio policristallino). È, infatti, noto che i nanofili di silicio garantiscono una resa maggiore in termini di produzione energetica e una più ampia possibilità di impiego dei convertitori rispetto a quanto attualmente accade con i dispositivi basati su tellururi di piombo o bismuto.

Il Consorzio, interamente finanziato da Erg, coinvolge ad oggi, oltre all’Università di Milano-Bicocca che coordina gli aspetti scientifici del progetto, l’Istituto dei Materiali per la Microelettronica (Imm) del Cnr di Bologna e le Università di Modena e di Verona.

“Il passaggio dalle opportunità aperte dalle nanotecnologie al loro effettivo sfruttamento è spesso reso difficile dai costi di realizzazione delle nanostrutture. Ciò che abbiamo brevettato e su cui stiamo lavorando”, dice Dario Narducci, professore associato di chimica fisica alla Facoltà di Scienze dell’Università di Milano Bicocca, “è un processo di relativamente semplice e poco costosa industrializzazione, in grado di realizzare pile di nanofili di silicio con le attuali tecnologie microelettroniche ed altre nanostrutture ancora più semplici e meno costose”.

Il valore aggiunto della nuova tecnologia che il Consorzio sta mettendo a punto, consiste nella struttura dei nuovi generatori a effetto Seebeck. L’architettura dei dispositivi di conversione si fonda sulla loro specifica predisposizione alla costituzione di robuste ed efficienti architetture plurimodulari che consentono di realizzare convertitori per tensioni e potenze elevate. Inoltre, le modalità di realizzazione ne dovrebbero permettere il passaggio su scala industriale in tempi relativamente brevi.

I generatori Seebeck possono essere molto versatili. Grazie alle caratteristiche di compattezza, efficienza e capacità di produrre energia in maniera costante e in assenza di fonti di approvvigionamento rilevanti, il loro impiego è stato fin qui principalmente rivolto a contesti nei quali altre fonti energetiche risultano sostanzialmente indisponibili. Essi si prestano, infatti, molto bene ad equipaggiare le sonde per l’esplorazione dello spazio profondo che non possono utilizzare i pannelli solari. Gli impieghi terrestri sono invece stati sempre rivolti a scenari in cui piccole potenze elettriche disponibili localmente hanno un elevato valore d’uso, come, ad esempio, nella velica off-shore o in ambiti rurali.

Rendimenti più elevati e costi di produzione più ridotti potranno modificare in maniera importante le modalità d’uso dei generatori termoelettrici. La disponibilità di dispositivi basati su silicio policristallino nanostrutturato costruiti con le stesse tecniche impiegate per produrre i comuni microchip, autorizza a immaginare qualcosa di equivalente a una nuova fonte energetica rinnovabile e distribuita, il calore disperso a bassa temperatura, la cui disponibilità a livello mondiale può essere stimata nell’ordine di 15.000 gigawatt.

I settori potenzialmente oggetto della nuova tecnologia messa a punto dal Consorzio, saranno quindi il recupero energetico da fonti a bassa-media temperatura, quali reflui di calore industriale e automotive, e lo sfruttamento diretto del calore solare. Inoltre, tali dispositivi ben si prestano anche alla produzione di freddo senza parti in movimento, con applicazioni che vanno dalla refrigerazione industriale a quella civile, dalla sensoristica al controllo termico delle strumentazioni elettroniche.

Università di Milano-Bicocca: www.unimib.it
Erg: www.erg.it

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