Un team del Center for Sustainable Future Technologies dell’Istituto Italiano di Tecnologia (CSFT-IIT Torino), coordinato da Alessandro Chiolerio, in collaborazione con il Politecnico di Torino, ha recentemente brevettato un nuovo tipo di generatore elettrico che assorbe il calore dissipato da diversi tipologie di tubazioni e lo trasforma in energia elettrica.
Tale sistema, che prende il nome di Torodyna (TORoidal DYNAmo), pesa circa 2 kg, è realizzato in bioplastica 100% biocompostabile, ha una caratteristica forma “a ciambella” e potrebbe essere applicato su tubature di impianti industriali, elettrodomestici e automobili recuperando così un’energia che andrebbe sprecata in un’ottica di totale sostenibilità ambientale.
Il dispositivo, brevettato dal team di ricerca Iit, è costituto da un involucro a forma di ciambella contenente un fluido magnetico – per la presenza di magnetite – che viene inserito intorno alle tubazioni soggette a variazioni di temperatura. In presenza di un campo magnetico, generato dal sistema, il fluido all’interno del Torodyna si muove producendo corrente elettrica nelle bobine integrate. Questa corrente può essere poi immagazzinata in un sistema di stoccaggio energetico destinato ad alimentare computer, smartphone, sensori, sistemi di illuminazione o altri dispositivi elettronici.
Il Torodyna inizia a generare energia elettrica a partire da differenze di temperatura di poco più di 1°C con un’efficienza di conversione che può arrivare al 38% sfruttando particolari accorgimenti, e può generare circa 1 W con una differenza di temperatura di 25°C, nell’arco di un paio d’ore dalla sua accensione. È sufficiente mettere a contatto la ciambella con la tubatura “calda” ed esporre all’ambiente la superficie esterna per garantire lo scambio termico. Questa potenza consentirebbe di alimentare per esempio un piccolo sistema di intelligenza artificiale a bordo costituito da display, microchip e sensori di controllo ma in contesti industriali, dove le differenze di temperatura possono raggiungere anche i 250°C, Torodyna potrebbe erogare una potenza nell’ordine di decine di chilowatt rendendo il sistema in grado di alimentare apparecchi elettronici più complessi. I primi risultati ottenuti e il sistema brevettato sono stati illustrati nell’articolo recentemente pubblicato sulla rivista scientifica internazionale Applied Energy firmato da Chiolerio e colleghi.
La quantità di calore di scarto che ogni anno immettiamo in atmosfera è elevatissima. Un articolo del 2016 di un’Università tedesca stima che il 72% del consumo globale primario di energia venga disperso in forma di calore. Tutta questa energia sprecata, che nasce dagli attriti degli organi meccanici, dal passaggio di correnti elettriche nei dispositivi elettronici, dalla trasformazione dell’energia primaria in energia elettrica e da tutti i processi industriali, per essere recuperata con i metodi attualmente disponibili, implicherebbe l’utilizzo di materiali pregiati, tossici e a volte fragili, come i materiali termoelettrici.
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«Torodyna è stato progetto per essere resistente, economico e facilmente adattabile a diversi contesti − spiega Erik Garofalo, dottorando dell’Iit e del Politecnico di Torino e coautore dello studio − Sono state necessarie molte competenze trasversali per realizzare il prototipo dalla termofluidodinamica alla microelettronica e scienza dei materiali. Per la realizzazione di Torodyna ci siamo anche avvalsi di tecniche di stampa 3D costruendo parte del dispositivo in bioplastica per sottolineare l’importanza dell’ecodesign e dell’ingegneria sostenibile».
«Il contenitore a ciambella è completamente opaco − racconta Chiolerio − è stato un problema piuttosto serio cercare di governare il moto del fluido all’interno senza poterlo osservare. Abbiamo tentato di utilizzare tecnologie sofisticatissime, come velocimetri a ultrasuoni e termocamere, ma nessuno dei due è riuscito a farci visualizzare che cosa esattamente stesse accadendo, se il fluido si fosse mosso, in che direzione, con che velocità. Ecco per quale motivo diventano fondamentali le simulazioni al computer. Alla fine, dalle letture degli strumenti elettronici abbiamo avuto la conferma: si muove! E recupera energia».
Il sistema è stato pensato per essere scalabile sia verso l’alto, per rispondere a necessità industriali, che verso il basso, per il mondo del wearable come fonte di energia per la tecnologia indossabile. L’idea originale di Chiolerio, dopo il deposito del brevetto, è stata disegnata, progettata, realizzata e ottimizzata nell’arco di due anni arrivando ad avere oggi un prototipo funzionante su scala di laboratorio che ha raggiunto rlL 4. Il Trl (Technology Readiness Level) indica la maturità di una tecnologia, dall’idea al prodotto commerciale, in una scala da 1 a 9. Il valore di 4 del dispositivo realizzato, indica una tecnologia che è stata convalidata in ambiente di laboratorio, ma il team di Iit sta già lavorando a una versione più semplice ed efficiente di Torodyna, per la quale è stato depositato un secondo brevetto, che potrà essere installata come pannello di separazione tra l’ambiente caldo e l’ambiente freddo, per ottenere nel 2021 un prototipo pre-industriale che possa essere sperimentato in un ambiente operativo portando il Trl a 7.
