Motore termico: MIT e NREL ne realizzano uno privo di parti mobili

È un motore termico privo di parti mobili, quello studiato e realizzato dai ricercatori del MIT (Massachussetts Institute of Technology) in collaborazione col National Renewable Energy Laboratory (NREL). Questo nuovo concetto di motore termico dimostra che si può convertire il calore in elettricità con un’efficienza superiore al 40%, ovvero un valore prestazionale superiore a quello realizzabile oggi con l’utilizzo di turbine a vapore. Il motore termico studiato dai ricercatori del MIT e dell’NREL è costituito da una cella termofotovoltaica (TPV), molto simile alle tradizionali celle fotovoltaiche utilizzate nei comuni pannelli solari, che cattura passivamente fotoni ad alta energia da una fonte di calore incandescente e li converte in elettricità. Il progetto del team può generare elettricità da una fonte di calore compresa tra 1.900 e 2.400 gradi Celsius, fino ad un valore di circa 4.300 gradi Fahrenheit.

I ricercatori dei due prestigiosi istituti americani hanno in programma di incorporare la cella TPV all’interno di una batteria termica. Il sistema assorbirebbe l’energia in eccesso da fonti rinnovabili e la immagazzinerebbe in banchi isolati di grafite riscaldata. Quando si richiede energia in quantità superiore le celle TPV convertono il calore in elettricità e la inviano a una rete elettrica dedicata. Con la nuova cellula TPV, il team congiunto dei ricercatori del MIT e di quelli dell’NREL ha perciò dimostrato con successo un sistema valido mediante l’effettuazione di esperimenti separati su piccola scala. Ora stanno lavorando per integrare le parti per dimostrare che quello che caratterizza questo nuovo motore termico è un sistema pienamente operativo. Da lì, si vuole ampliare il sistema per sostituire le centrali elettriche a combustibili fossili e consentire una rete elettrica completamente decarbonizzata, interamente caratterizzata dall’impiego di energia rinnovabile.

Un motore termico di ultima generazione impiegabile su molteplici fronti

Oggi oltre il 90% dell’elettricità proviene oggi da fonti di calore non rinnovabili o da energia solare concentrata. Le turbine a vapore sono state lo standard industriale per convertire tali fonti di calore in elettricità. In media, le turbine a vapore convertono in maniera utile all’utilizzo tradizionale circa il 35% di una fonte di calore in elettricità, con circa il 60% che rappresenta la più alta efficienza di qualsiasi motore termico fino ad oggi pienamente disponibile. Ma i prodotti necessari a praticare queste attività dipendono da parti mobili che si muovono a temperatura limitata. Fonti di calore superiori a 2.000 gradi Celsius utilizzerebbero temperature fin troppo elevate per le comuni turbine.

Negli ultimi anni, si sono viste alternative allo stato solido: parliamo di un particolare motore termico senza parti mobili, che potrebbero potenzialmente funzionare in modo efficiente a temperature molto più elevate. Le celle termofotovoltaiche 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. Ad oggi, la maggior parte delle celle TPV ha raggiunto efficienze di circa il 20%, con massimi valori del 32%, poiché sono state realizzate con materiali a banda relativamente bassa che convertono fotoni a bassa temperatura e bassa energia e quindi convertono l’energia in modo meno efficiente.

Il progetto di motore termico prodotto in questo caso da MIT e NREL ha permesso di catturare fotoni di energia più elevata da una fonte di calore a temperatura più elevata, convertendo così l’energia in modo più efficiente. La nuova cella lo fa con materiali dotati di un bandgap più elevato e giunzioni multiple, o strati di materiale, rispetto agli elementi TPV esistenti fino ad ora.

Come funziona questa nuova idea di motore

La cella è realizzata mediante tre componenti 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 alta 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 e convertiti per aggiungersi alla tensione generata. Tutti i fotoni che passano attraverso questo secondo strato vengono quindi riflessi dallo specchio, di nuovo alla fonte di calore, invece di essere assorbiti come calore sprecato. Il team del MIT in collaborazione con l’NREL ha testato 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 su di questa. Hanno quindi variato l’intensità o la temperatura della fonte 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 gradi Celsius, la nuova cella TPV ha mantenuto un’efficienza di circa il 40%.

La cella utilizzata durante gli studi di questo interessante motore termico presenta dimensioni pari a circa un centimetro quadrato. I risultati dello studio sono stati pubblicati già all’interno della prestigiosa rivista scientifica Nature.