Riassunto:
La produzione di energia solare sottomarina è stata a lungo considerata dalla comunità scientifica un'area interdetta insormontabile dal punto di vista ingegneristico, a causa della grave attenuazione della luce e dei problemi di erosione dell'acqua. Tuttavia, gli ultimi sviluppi della ricerca scientifica stanno ribaltando questa visione tradizionale. Personalizzando la progettazione di nuovi materiali fotovoltaici in perovskite, un gruppo di ricerca scientifica multinazionale ha sviluppato con successo una cella solare in grado di funzionare stabilmente in un ambiente sottomarino e raggiungere un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica, aprendo un nuovo percorso per l'autosufficienza energetica per i sensori di osservazione dell'oceano, i veicoli sottomarini autonomi (AUV) e le reti di monitoraggio subacqueo a lungo termine.
Nella conoscenza tradizionale, l'utilizzo del fotovoltaico sottomarino deve affrontare due principali barriere naturali. Il primo è il drammatico cambiamento nelle caratteristiche spettrali. L'acqua, essendo un mezzo fortemente assorbente, assorbirà rapidamente la maggior parte dello spettro della luce rossa e infrarossa, facendo sì che la luce che penetra sott'acqua sia concentrata principalmente in una stretta banda blu-verde. Le tradizionali celle solari a base di silicio progettate per la luce solare a spettro completo hanno uno spettro di assorbimento estremamente discordante sott’acqua e la loro efficienza diminuisce drasticamente. Il secondo è la questione della stabilità materiale. I materiali in perovskite, noti per la loro elevata efficienza, si degradano facilmente a causa dell'umidità. Collocarli in ambienti marini ricchi di acqua o addirittura ad alta salinità per lavori a lungo termine deve affrontare enormi sfide fisiche e chimiche.
Per superare questi problemi, il team di ricerca scientifica ha ridisegnato la struttura della banda energetica e la composizione chimica del materiale perovskite per lo spettro della luce blu-verde sottomarina e ha regolato con precisione l'intervallo di banda in modo che il suo picco di assorbimento ottico si sovrapponga fortemente allo spettro blu-verde filtrato sott'acqua, ottenendo così la massima cattura e conversione di energia dei fotoni che penetrano nelle acque profonde. Allo stesso tempo, il team di ricerca ha apportato innovazioni chiave nell’imballaggio delle batterie e negli strati di protezione dell’interfaccia, utilizzando nuovi polimeri idrofobici e la tecnologia del film barriera denso multistrato, che non solo isola completamente le molecole d’acqua e gli ioni salini disciolti dalla penetrazione e dalla corrosione dello strato di perovskite che assorbe la luce, ma garantisce anche un’efficace rifrazione e ingresso della luce sulla superficie della batteria.
I dati dei test sperimentali mostrano che questa nuova batteria subacquea alla perovskite dimostra un'efficienza di conversione fotoelettrica e prestazioni anti-attenuazione che superano significativamente le tradizionali batterie a base di silicio in ambienti simulati di luce blu-verde di diverse profondità d'acqua. Anche nelle dure condizioni di immersione continua in acqua e ad una certa pressione dell'acqua, la batteria può comunque mantenere una potenza erogata stabile per lungo tempo, verificandone la fattibilità ingegneristica in complessi ambienti acquatici reali.
Con la rapida crescita della domanda globale per l'esplorazione delle profondità marine, il monitoraggio ecologico marino e l'acquacoltura offshore intelligente, il collo di bottiglia dell'alimentazione elettrica delle apparecchiature elettroniche subacquee è diventato sempre più evidente. Le tradizionali attrezzature subacquee si basano solitamente su robusti pacchi batteria per l'alimentazione, che richiedono frequenti operazioni di recupero e sostituzione o rifornimento cablato dalle navi madre, rendendo i costi operativi e di manutenzione estremamente elevati. Se la tecnologia fotovoltaica subacquea della perovskite potesse essere ulteriormente industrializzata e implementata su boe, robot subacquei e sensori fissi del fondale marino, si prevede che le apparecchiature subacquee possano ottenere un’autoalimentazione in situ a lungo termine con l’aiuto della luce solare naturale o anche della luce diffusa offshore, ampliando notevolmente i confini delle capacità umane per il rilevamento continuo a lungo termine e a basso costo dell’ambiente marino.
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