Riassunto:
Un gruppo di ricerca della SUNY Binghamton ha sviluppato una carta da parati "igroelettrica" a base di carta che assorbe l'umidità dall'aria e genera una piccola quantità di elettricità, tamponando i cambiamenti di umidità interna. Una ricerca pertinente è stata pubblicata su Advanced Energy Materials. Il team ha affermato che il suo obiettivo non è quello di sostituire la rete o l’energia solare sui tetti, ma di alimentare dispositivi Internet of Things a basso consumo come sensori ambientali e moduli wireless, e di esplorare la possibilità che le pareti abbiano sia funzioni di raccolta dell’energia che di regolazione dell’umidità.
Questo prototipo non è uno sfondo disponibile in commercio, ma si basa su carta per cromatografia di laboratorio spessa circa 340 micron. Ciascuna unità di generazione di energia elettrica di circa 2 cm quadrati è divisa in tre aree: i bordi sono rivestiti di glicerina, che ha il compito di assorbire il vapore acqueo dall'aria; l'area centrale contiene polivinilpirrolidone (PVP), che utilizza pori più piccoli e una forte capacità di assorbimento dell'acqua per guidare l'umidità verso l'interno; il centro è trattato con cera, rendendo difficile il passaggio dell'acqua liquida, ma il vapore acqueo può comunque fuoriuscire attraverso i micropori. I ricercatori hanno realizzato elettrodi con inchiostro di grafite e hanno collegato le unità tramite laser riempiti di pasta d'argento, con i circuiti nascosti sul retro della carta.
L'elettricità proviene da un processo continuo di assorbimento dell'umidità, trasporto interno dell'acqua ed evaporazione centrale. Le molecole d'acqua interagiscono con i gruppi chimici presenti nella glicerina, nella cellulosa e nel PVP per rilasciare protoni, formando una differenza di concentrazione di ioni tra i bordi e il centro, spingendo le particelle cariche a muoversi e a stabilire una tensione, quindi l'elettrodo di grafite raccoglie la corrente. Il team ha posizionato la zona igroscopica alla periferia e la zona di evaporazione al centro, consentendo all’umidità di muoversi direzionalmente lungo la superficie del foglio. Lo strato di cera non è completamente sigillato, ma blocca selettivamente l'acqua liquida e consente la fuoriuscita del vapore acqueo per mantenere il gradiente di umidità.
In condizioni di test con umidità relativa dell'80%, una singola unità genera una tensione di circa 0,34 volt, con una densità di potenza di picco di circa 2,2 microwatt per centimetro quadrato, ovvero circa 0,55 microwatt per centimetro quadrato sulla base dell'intera superficie di 4 centimetri quadrati dell'unità; l'uscita rimane stabile per circa 90 minuti. Maggiore è l'umidità, maggiore è l'umidità assorbita dall'unità e maggiore è la potenza complessiva. Quando 10 unità sono collegate in serie, la tensione all'80% di umidità relativa è di circa 2,9 volt; quando 10 unità sono collegate in parallelo, la corrente è di circa 240 microampere. L'articolo sottolinea che la densità di potenza dell'intera superficie della carta da parati è ancora bassa e che il design geometrico esistente non è stato ancora ottimizzato per la resa totale.
Il gruppo di ricerca ha quindi formato un gruppo più ampio di 1.596 unità, ha ridotto l'umidità interna a circa il 32% in 15 minuti con un'umidità relativa di circa il 38% e ha dimostrato l'alimentazione di una tastiera wireless; la dimostrazione ha utilizzato l'accumulo di energia del condensatore per rilasciare la carica quando la tastiera era in funzione. In un esperimento più piccolo, 35 unità hanno alimentato il sensore di umidità per circa 15 minuti. La ricerca ha testato anche il tampone di umidità in una scatola sigillata di 30×30×15 cm. 28 unità hanno ridotto l'umidità dal 75% al 50% in circa 4 minuti; la carta igroscopica può rilasciare umidità nell'aria secca, facendo aumentare l'umidità dal 15% al 20% in circa 16 minuti. Questi risultati provengono da esperimenti controllati e non possono essere interpretati direttamente come capacità di deumidificazione o alimentazione a lungo termine per un’intera casa.
Il team spera di utilizzare la stampa a cera, la spruzzatura, la serigrafia e l'elaborazione laser per ottenere la stampa a processo completo e ritiene che ci saranno opportunità per espandere la produzione in futuro. Ma attualmente, la carta da laboratorio viene ancora utilizzata e la ricerca deve ancora dimostrare la durabilità del prodotto, la stabilità del ciclo a lungo termine o le prestazioni domestiche effettive in condizioni di ventilazione variabili. I ricercatori hanno anche sottolineato che, sebbene un’umidità più elevata possa aumentare l’assorbimento di umidità e la produzione di energia, quando l’umidità relativa si avvicina al 90%-95%, la differenza di pressione del vapore acqueo richiesta per l’evaporazione centrale potrebbe indebolirsi e la produzione potrebbe tendere a stabilizzarsi o addirittura a diminuire.
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