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Energy Scavenging. Recupero energia dall'ambiente

Un essere vivente e ogni singola cellula del suo organismo possono diventare oggetto di un'analisi termodinamica se visti come sistemi aperti che scambiano materia e energia con ciò che li circonda e, in effetti, è così che avviene in alcuni corsi di fisiologia.



Una delle proprietà che permette la sopravvivenza, chiamata "Omeostasi", è la capacità di mantenere costantemente stabili le condizioni all'interno del corpo. I mammiferi, animali a sangue caldo, per sopravvivere, muoversi e lavorare assumono cibo e liquidi, grazie ai quali le funzioni metaboliche possono avvenire con la produzione degli effetti noti.

Lo scambio termico avviene in modo continuo con quanto sta all'esterno, soprattutto tramite convezione, irraggiamento, traspirazione (sudorazione) e emissione di vapore acqueo durante la ventilazione polmonare.

Viceversa, negli animali a sangue freddo come i rettili, in grado di sopravvivere senza alimentarsi per settimane e mesi, la giusta temperatura è mantenuta crogiolandosi al tepore dei raggi solari, appena le condizioni lo permettono.

Fenomeni piuttosto complessi, stabilizzati entro rigide soglie da catene di retroazione, di cui si ha vaga coscienza se si percepisce troppo caldo o troppo freddo o, invece, se si è colpiti da febbre.

Considerato un certo spazio, di dimensioni qualsiasi, delimitato da un confine reale o virtuale, quasi sempre vi si potranno trovare scambi energetici di varia natura tra i componenti costituenti e, pure, tra essi e l'esterno attraverso la superficie limitante, poiché risulta raro che il tutto sia in perenne equilibrio.

In alcuni casi i trasferimenti sono cospicui: si pensi ad esempio ad una stanza con un caminetto nel quale, con vivida e scoppiettante fiamma, arde della legna. Oppure, semplicemente sono attivi un termosifone o un condizionatore; allora, le potenze in gioco possono misurarsi in centinaia o migliaia di Watt.

Ma già ad una certa distanza, ragionando in termini di densità, ossia di W/mm2, le cose cambiano. I livelli precipitano e, in generale, è difficile intuire che valori anche modesti potrebbero consentire un utilizzo pratico.

Le fonti sarebbero le più disparate; ad esempio le vibrazioni indotte dal passaggio di un tram o quelle provocate da una conversazione, le onde elettromagnetiche generate dalla rete elettrica domestica o sotto forma di luce emessa da una lampadina.

L'idea di recuperare energia dall'ambiente non è certamente nuova. Brevetti relativi a scarpe luminose o riscaldanti e a tappeti o pavimentazioni che forniscono qualche watt sono noti da tempo, ma la possibilità di alimentare dispositivi utili attraverso "presenze" talmente sfuggenti è solo da un paio di decenni che si è trasformata in realtà.

E ciò, grazie alla microelettronica e alla micromeccanica con la comparsa dei MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) che in volumi di pochi millimetri cubi, o meno, possono contenere congegni sofisticati come sensori, attuatori meccanici e idraulici e mezzi di comunicazione.

In Figura 1, in senso orario si possono osservare ruotismi dalle dimensioni inferiori ad un acaro, ingranaggi posti su diversi piani, un attuatore meccanico a pettine e uno specchio movibile attraverso campi elettromagnetici: miniaturizzazioni estreme che necessitano per poter funzionare di potenze minime.

Ma se un "organismo" artificiale siffatto deve essere in grado di funzionare per lunghi periodi e non è ospitato a bordo di schede elettroniche, cioè deve operare in completa autonomia, diventa obbligatorio alimentarlo nell'unico modo possibile, cioè prelevando energia dall'ambiente circostante attraverso qualche artificio, certamente non banale.

Energy Scavenging o Energy Harvesting (EH), Power Harvesting o Ambient Power sono le definizioni date alle tecniche di varia natura messe in atto appunto per sfruttare le eventuali sorgenti che si rendono disponibili al suo contorno.

In grande - in piccolo

Il Sole ci dispensa energia in abbondanza, direttamente e indirettamente tramite salti d'acqua, vento e onde. Poi, la geotermia, le maree e il nucleare. Esistono altre alternative che ad oggi non sembrano ancora tecnicamente o economicamente convenienti.

Alcune "semi nascoste" sono presenti dove esistono gradienti di qualche tipo, ad esempio salini e termici tra superficie e profondità di bacini lacuali e marini e, più ancora, in prossimità delle zone vulcaniche attive. Un discorso particolare riguarda l'elettricità atmosferica che nel manifestarsi dei fulmini appare grandiosa.

Benjamin Franklin (1706-1790) che, ai mestieri di giornalista, tipografo, rivoluzionario e politico a tempo perso, univa quello di scienziato dilettante, tentava tra le mille cose di catturare i fulmini con aquiloni auto costruiti.

Fortuna volle che durante gli esperimenti non rimanesse incenerito, dato che si manifestano con tensioni di decine e centinaia di MV e correnti comprese tra 30 e 500 kA e 50 TW possono ritenersi un valor medio di potenza plausibile. Purtroppo per noi, esaurendosi in decine di microsecondi, sviluppano mediamente 0,5 - 1 GJ (27 litri di petrolio), oltretutto colpendo aree puntiformi e luoghi continuamente diversi.

Quantità certo non trascurabili ma difficili e costose da catturare e immagazzinare. Le saette sono la manifestazione parossistica di riequilibrio dell'onnipresente separazione - che aumenta vertiginosamente con il formarsi delle nubi - di cariche positive e negative tra il terreno e gli strati d'aria.

Per dosi marginali, si potrebbe forse contare su questo campo statico senza attendere la scarica, con sicuramente minor pericolo. Attualmente sotto studio non manca nemmeno l'umidità atmosferica tramite i Generatori Igroelettrici HEG (Hygro Electric Generators).

Nel concreto, poiché interessa la capacità di animare qualcosa addirittura di quasi invisibile e pochissimo "affamato", nel contesto in cui si vogliono posizionare tali "Self" Powered Application, si devono scovare di volta in volta le fonti disponibili e adatte.

In generale, non sono presenti tutte nello stesso luogo e nello stesso tempo e perciò la modalità di assorbimento costituisce la variabile che fa la differenza. Le sorgenti sono classificate secondo i principi fisici o chimici sfruttabili: meccaniche e cinetiche (vibrazionali, tribologiche, elastiche, gravitazionali, di flusso, di pressione), termiche e piroelettriche, reazioni chimiche e biologiche, campi elettrostatici, magnetici, elettromagnetici (luce e radioonde), radioattive.

Allo scopo sono stati coniati numerosi acronimi tra cui MEG (Mechanical Electric Generator) e MMEG (Magneto Mechano Electric Generator), PENG (Piezo Electric Nano Generator) o PEH (Piezoelectric Energy Harvesting), TENG (Tribo Electric Nano Generator), EMG (Electro Magnetic Generator), EEH (Electric Energy Harvesting), MEH (Magnetic Energy Harvesting), LH (Light Harvesting) e altri simili.

Nelle Tabelle 1-2, sono elencate le tipiche fonti con le relative intensità ricavate dagli studi citati in [1]. Si possono notare alcune differenze nei valori, dovute probabilmente alle condizioni sperimentali e ai metodi di misura usati dai diversi gruppi di ricerca.

In ogni caso, è facile desumere gli ordini di grandezza (Tab. 1) e le conseguenti difficoltà di progettare le specifiche circuiterie a scala micrometrica e nanometrica, associate a quanto disponibile per l'applicazione richiesta. In Figura 2, i riquadri colorati evidenziano le macro aree principali mentre quelli bianchi rappresentano i principi di trasduzione associati.

A grandi linee, le sorgenti possono essere:

- Meccaniche
- Biologiche e chimiche
- Campi Elettrostatici
- Campi magnetici
- Campi Elettromagnetici a bassa frequenza
- Campi elettromagnetici ad alta frequenza
- Sole e luce artificiale

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che comprende anche le possibili applicazioni.
Paolo Chiastra, Ordine Ingegneri di Milano - Commissione Energia - Ordine Ingegneri Milano
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