Utente:Fm594/Sandbox
Negli ultimi decenni uno dei punti focali degli sforzi della scienza e dell'ingegneria è stata la ricerca di nuove tecnologie energetiche in grado di far fronte alla crescente richiesta energetica che si avverte in tutto il mondo, oltre che alla dipendenza dai combustibili fossili. In tal senso ha preso piede l'applicazione di un campo della scienza di recente sviluppo, quello delle nanotecnologie, nel campo dell'energia. Per nanotecnologia si intende in genere una qualunque tecnologia che comprenda delle componenti di dimensioni pari o inferiori ai 100 nanometri.
Le nanotecnologie promettono la possibilità di ottenere un quantitativo molto maggiore di energia rispetto alle risorse odierne e, contemporaneamente, quella di giungere ad una riduzione dei consumi energetici grazie alla notevole leggerezza solitamente offerta dai sistemi implementati con nanomateriali ed allo sviluppo di migliori sistemi di isolamento termico ed elettrico. Anche queste due ultime proprietà positive caratterizzano infatti i nanomateriali.
In particolare i quattro principali contesti in cui la nanotecnologia può e potrà contribuire a superare le prestazioni delle attuali tecnologie sono quelli della produzione, dello stoccaggio, del trasporto e dell'utilizzo dell'energia.
Produzione energetica[modifica | modifica wikitesto]
Sono attualmente in corso numerosi studi che si pongono come obiettivo l'efficientamento della produzione energetica tramite l'utilizzo delle nanotecnologie. Diversi sono gli ambiti in cui la ricerca si sta concentrando. Tra i principali si annoverano l'ambito fotovoltaico, lo sviluppo di nanogeneratori triboelettrici, di nanoeolico e di fonti energetiche alternative.
Solare[modifica | modifica wikitesto]
Per quanto riguarda il campo della produzione di energia mediante l'utilizzo della radiazione solare la ricerca si concentra sui due fronti del miglioramento della tecnologia già esistente e dello svilluppo di nuove. Tra le tecnologie di più recente interesse si trovano senza dubbio le celle solari perovskitiche, che in pochissimi anni sono diventate la tecnologia di punta per quanto riguarda le celle di terza generazione. Altri esempi di successo nell'appplicazione di nanotecnologie all'interno di questo ambito sono le celle autopulenti, i rivestimenti antiriflesso dei pannelli solari al silicio e le celle solari organiche e le celle di Grätzel.
Produzione energia mediante metodologie non convenzionali[modifica | modifica wikitesto]
L'utilizzo delle nanotecnologie ha permesso di produrre energia mediante metodologie non convenzionali. Alcuni esempi sono la triboelettricità, ossia la produzione di energia mediante sfregamento con l'utilizzo di nanogeneratori triboelettrici e l'elettricità prodotta da vibrazioni termiche di un foglio di grafene.
Celle a combustibile[modifica | modifica wikitesto]
Una cella a combustibile converte l'energia chimica di un combustibile, come l'idrogeno, direttamente in energia elettrica, evitando la fase della combustione. Nella cella a combustibile, il combustibile in questione viene ossidato presso l'anodo, mentre al catodo avviene la riduzione dell'ossigeno molecolare. Fondamentale è il ruolo della catalisi nel miglioramento di entrambe le reazioni e di conseguenza dell'efficienza della cella a combustibile. A questo scopo sono stati largamente studiati dei nanocatalizzatori costituiti da nanoparticelle metalliche, soprattutto a base di platino.
Trasporto dell'energia[modifica | modifica wikitesto]
Le nanotecnologie possono essere utilizzate per ottenere metodi di trasporto dell'energia che presentino dissipazioni molto contenute oppure che permettano scambi energetici su scala nanometrica.
Ad esempio, la trasmissione energetica tramite fibra ottica è limitata dai fenomeni di diffrazione della luce. Per ovviare al problema ed ottenere trasmissione di energia a livello nanometrico sono state usate nanoparticelle d'oro disposte linearmente in modo molto compatto tramite deposizione chimica. In questo modo l'energia non viene trasmessa per via ottica, ma tramite una combinazione di onde elettroniche e interazioni elettromagnetiche tra le nanoparticelle.
Grazie a nanostrutture di carbonio, metalliche o semi-metalliche, vengono realizzati nanofili altamente conduttivi e dall'altissimo aspect-ratio, che possono permettere trasmissione energetica su scala molto piccola o di ridurre il peso del cablaggio in svariate apparecchiature. Ad esempio, grazie alla loro bassa densità ad alla loro eccellente conducibilità elettrica, i nanotubi di carbonio potrebbero essere usati per sostituire i pesanti cablaggi in rame comunemente utilizzati in ambito aerospaziale diminuendo sensibilmente il peso dei velivoli.
Stoccaggio energetico[modifica | modifica wikitesto]
L'impiego delle nanotecnologie nelle applicazioni per lo stoccaggio energetico riguardano soprattutto il miglioramento delle prestazioni degli anodi, volto a raggiungere rapidità di ricarica più elevate e capacità maggiori. Ad esempio, la sostituzione dei convenzionali anodi di grafite delle batterie agli ioni di litio con altri costituiti da fogli di grafene trattati termicamente o con l'utilizzo di laser, permetterebbe di ottenere una power density molto maggiore con notevoli effetti sulla rapidità di ricarica e di scarica. infatti, i suddetti trattamenti indurrebbero nei fogli di grafene dei difetti micrometrici, permettendo una migliore diffusività degli ioni nell'anodo, garantendo al contempo una superiore resistenza al deterioramento in termini di cicli di carica e scarica.
Grazie a tecnologie su scale nanometriche come la produzione di nanostrutture di carbonio è possibile inoltre ottenere condensatori molto più prestanti dei tradizionali condensatori elettrolitici. Ad esempio, un supercondensatore con le piastre formate da un materiale mesoporoso costituito principalmente da fogli di grafene ha esibito una densità energetica di 85.6 Wh/kg (308 kJ/kg) a temperatura ambiente, un valore simile a quello degli accumulatori nichel-metallo idruro correntemente in uso, a differenza dei quali però può essere caricato e scaricato nell'arco delle decine di secondi o dei pochi minuti, presentando quindi anche in questo caso una power density centinaia di volte maggiore rispetto a quella degli stessi accumulatori.
Un aspetto particolarmente importante della nanotecnologia applicata allo stoccaggio energetico è quello della nanocatalisi. La nanocatalisi sfrutta l'azione catalitica di particelle di dimensioni nanometriche per controllare la rapidità delle reazioni elettrochimiche e la sovratensione, oltre che per aumentare la vita utile degli accumulatori in termini di cicli di carica e scarica.