Luce, vibrazioni e calore: dall’MIT un nuovo microchip che cattura energia da varie fonti contemporaneamente

Dall’MIT arrivano sempre idee sorprendenti e originali e si lavora costantemente per sfidare la sorte alla ricerca di prodotti che migliorino la qualità della nostra vita. Questa volta si sta implementando un microchip che cattura energia da varie fonti, da vibrazioni, luce e calore. Scopriamo come funziona e risultati della ricerca.

Cos’è il microchip elettronico che cattura energia da vibrazioni, luce e calore

Un nuovo chip elettronico che consente di raccogliere energia da fonti diverse come vibrazioni, luce e calore rappresenta una significativa innovazione nel campo dell’energy harvesting (raccolta di energia).

Questa tecnologia mira a sfruttare fonti di energia ambientale, trasformandole in energia elettrica utilizzabile per alimentare dispositivi elettronici, in particolare quelli a basso consumo come sensori, dispositivi IoT (Internet of Things) e micro-controller.

Di seguito spieghiamo il funzionamento del chip, i suoi vantaggi e i risultati della ricerca.

Come funziona il nuovo chip elettronico

Combina diverse tecnologie per raccogliere energia da tre principali fonti ambientali:

Energia da vibrazioni (piezoelettricità)

Utilizza materiali piezoelettrici, che generano energia elettrica quando vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche, come vibrazioni o pressione.

Quando è installato in un ambiente con vibrazioni (ad esempio, su macchinari industriali o superfici in movimento), il materiale piezoelettrico converte le oscillazioni meccaniche in piccole quantità di energia elettrica.

Energia dalla luce (fotovoltaico)

Integra micro-celle solari in grado di catturare la luce ambientale e convertirla in energia elettrica.

Anche in condizioni di bassa luminosità (ad esempio, all’interno di ambienti chiusi), il chip sfrutta la luce per generare energia attraverso il principio della fotovoltaicità, simile a quello utilizzato nei pannelli solari.

Energia dal calore (effetto termoelettrico)

Sfrutta il gradiente termico (differenza di temperatura tra due punti) per generare energia tramite materiali termoelettrici.

Quando viene posizionato in un ambiente con differenze di temperatura (ad esempio, vicino a motori, condutture calde o superfici riscaldate), il calore viene trasformato in elettricità grazie all’effetto Seebeck, che genera un potenziale elettrico proporzionale alla differenza di temperatura.

Le principali innovazioni del nuovo microchip

Si tratta di elementi importanti per l’innovazione dei chip:

• Raccolta simultanea di energia da fonti diverse. Progettato per raccogliere energia da più fonti contemporaneamente, ne massimizza l’efficienza. Ad esempio, un sensore posto in un ambiente industriale potrebbe raccogliere energia dalle vibrazioni di una macchina, dalla luce ambientale e dal calore generato dai macchinari.
• Dimensioni ridotte e integrazione avanzata. Grazie all’uso di nanotecnologie e materiali avanzati, può avere mensioni ridottissime, rendendolo ideale per applicazioni in dispositivi IoT, sensori remoti e dispositivi indossabili.
• Efficienza energetica elevata. I progettisti hanno ottimizzato il chip per minimizzare le perdite energetiche durante la conversione e l’accumulo. Inoltre, il chip è in grado di operare con livelli di energia estremamente bassi, rendendolo adatto ad alimentare dispositivi senza necessità di batterie tradizionali.
• Circuito di gestione dell’energia integrato. Dotato di un circuito elettronico che gestisce l’energia raccolta, immagazzinando quella non utilizzata in una microbatteria o in un supercondensatore, garantisce un’alimentazione continua anche in condizioni di raccolta irregolare.

Risultati della ricerca sul microchip

I risultati della ricerca che ha portato alla creazione di questo chip mostrano progressi significativi rispetto alle tecnologie attuali.

Ha raggiunto un’efficienza di conversione del 30-40% per le vibrazioni, del 15-20% per la luce ambientale (in condizioni di scarsa luminosità) e del 5-10% per il calore. Sebbene questi valori possano sembrare bassi, rappresentano un miglioramento rispetto alle tecnologie tradizionali, soprattutto considerando la raccolta simultanea.

È stato dimostrato che può generare abbastanza energia per alimentare sensori IoT, dispositivi indossabili o piccoli dispositivi elettronici (es. sensori di temperatura, umidità o movimento) senza bisogno di batterie esterne.

Inoltre, sembra che in condizioni ottimali, possa produrre fino a 50-100 microwatt di potenza, sufficienti per dispositivi a basso consumo.

Inoltre, il chip è stato testato in ambienti industriali, domestici e urbani:

• • industria: installato su macchinari vibranti, è stato in grado di raccogliere energia da vibrazioni e calore.
  • domestico: sfruttando la luce naturale e il calore generato da elettrodomestici come frigoriferi o caldaie.
  • urbano: posizionato su superfici calde o illuminate, come lampioni stradali o veicoli in movimento.

La ricerca ha dimostrato che può funzionare in modo continuo per anni senza manutenzione, riducendo drasticamente i costi operativi, soprattutto in applicazioni come il monitoraggio remoto.

Applicazioni pratiche del nuovo microchip

La versatilità del chip lo rende adatto a una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

• Internet of Things (IoT). Alimentazione di sensori remoti per il monitoraggio ambientale (come temperatura, umidità…) o industriale (ad esempio controllo di macchinari) ed utilizzo in smart home per alimentare sensori di movimento o dispositivi per la sicurezza
• Dispositivi indossabili. Alimentazione di smartwatch, braccialetti fitness o sensori medici indossabili, eliminando la necessità di batterie tradizionali
• Monitoraggio industriale. Sensori montati su macchinari per monitorare vibrazioni, temperatura o usura, migliorando la manutenzione predittiva
• Smart city. Installazione su lampioni stradali o infrastrutture urbane per alimentare sensori di monitoraggio dell’inquinamento, del traffico o delle condizioni meteo
• Tecnologie mediche. Alimentazione di dispositivi medici impiantabili o sensori per il monitoraggio della salute senza necessità di sostituire batterie

Implicazioni future dell’innovativo microchip

Questa tecnologia potrebbe portare a un futuro in cui i dispositivi elettronici non necessitano più di batterie tradizionali, riducendo l’impatto ambientale legato al loro smaltimento e migliorando la sostenibilità. Inoltre, l’integrazione di chip simili in dispositivi IoT e infrastrutture urbane potrebbe accelerare l’adozione delle smart city, rendendo le città più efficienti e connesse.

La ricerca su materiali avanzati, come nanomateriali e semiconduttori innovativi, potrebbe ulteriormente migliorare l’efficienza di questi chip, rendendoli una soluzione chiave per la transizione verso tecnologie più sostenibili.

Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo chip elettronico che consentirebbe di raccogliere energia da fonti diverse fra loro quali vibrazioni, luce e calore. Il professore che ha guidato la ricerca, Anantha Chandrakasan, spiega come l’obiettivo ultimo sia quello di creare un dispositivo capace di estrapolare l’energia da sorgenti multiple, cosa che si rivelerebbe davvero rivoluzionaria visto che si potrebbe lavorare contemporaneamente su più piani.

In ogni istante si andrebbe a sfruttare la fonte capace di produrre il quantitativo maggiore di energia, mentre le fonti restanti verrebbero utilizzate per fare “scorta” di energia. Il chip difatti è dotato anche di un condensatore capace di immagazzinare le quantità in eccesso in modo da non perdere nulla.

Ogni fonte ha un suo circuito di controllo con delle caratteristiche specifiche, per cui ad esempio la differenza di temperatura è in grado di produrre tensione tra 0,02 e 0,15 volt,  mentre il circuito che rileva le vibrazioni arriva a produrre fino a 5 volt di tensione.

Questo significa anche che gli scienziati hanno dovuto mettere a punto un sistema per unificare le varie differenze di potenziale e garantire un valore costante in uscita. Per ovviare al deficit si è pensato dunque ad un’architettura del microchip a “doppio percorso”, dove le fonti sono rapidamente scambiate fra loro

Questa scoperta potrebbe avere delle ricadute positive per lo sviluppo di dispositivi nel settore biomedico o per la realizzazione di innovativi sensori ambientali dislocati in posti remoti.

La ricerca è stata finanziata dall’Interconnect Focus Center, un programma congiunto della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) , aziende della Difesa e compagnie impegnate nella produzione di semiconduttori.

A breve lo studio verrà pubblicata anche sullo IEEE Journal of Solid-State Circuits.

Ultimo aggiornamento il 9 Dicembre 2024 da Rossella Vignoli