L'umidità in casa può essere assorbita con un nuovo sistema che la trasforma anche in energia facendo risparmiare

Un pannello di carta da parati formato da 1.596 quadrati ha alimentato una tastiera wireless durante una prova alla Binghamton University, nello Stato di New York. Il rivestimento assorbe l’umidità dell’aria e ne ricava una piccola quantità di elettricità. La stessa superficie svolge così due funzioni: asciuga l’ambiente e fornisce energia a dispositivi elettronici che ne consumano poca.

Il prototipo è opera di Seokheun Choi, Guangya Yuan e Yang Gao. I risultati sono descritti in uno studio pubblicato su Advanced Energy Materials. Sull’intera superficie di ciascun quadrato, i test hanno registrato una potenza di circa 0,55 microwatt per centimetro quadrato. In una camera sigillata, 28 quadrati hanno abbassato l’umidità dal 75% al 50% in quattro minuti. La riduzione dei consumi per climatizzare gli ambienti è invece una prospettiva ancora da verificare.

Una carta da parati che raccoglie l’umidità

Il materiale rientra nella categoria dei generatori moist-electric, chiamati MEG: dispositivi che ricavano energia dall’acqua presente nell’aria. La corrente si produce mentre il rivestimento assorbe l’umidità e questa attraversa zone con livelli diversi di bagnatura. La differenza tra una parte più umida e una più asciutta permette di mantenere il processo.

Una parete può ospitare molti generatori collegati tra loro. I ricercatori guardano soprattutto a sensori ambientali e moduli wireless, apparecchi che richiedono poca energia e possono monitorare un locale o trasmettere dati. La tastiera usata nella prova offre un esempio concreto di dispositivo a basso consumo.

Gli ambienti interni sono adatti a questa tecnologia anche per la relativa stabilità dell’umidità. All’aperto il livello cambia con il sole e le condizioni meteorologiche; in casa, invece, tende a variare meno. Respirare, cucinare e fare la doccia aggiunge vapore all’aria. Il rivestimento sfrutta quindi una condizione ordinaria degli spazi abitati, trasformandone una parte in energia elettrica.

Come l’umidità produce corrente

Alcuni materiali, quando assorbono acqua, liberano ioni: particelle dotate di carica. Se gli ioni sono distribuiti in modo disuguale, si spostano verso le zone in cui sono meno concentrati. È il loro movimento a generare corrente.

Per i generatori MEG la difficoltà consiste nel conservare nel tempo una differenza di umidità. Se l’intero materiale si bagna allo stesso modo, il gradiente si riduce e con esso diminuisce la produzione elettrica. In molti dispositivi convenzionali l’acqua entra ed esce dalla stessa superficie; così la separazione tra area umida e area asciutta tende a svanire rapidamente. La corrente può fermarsi dopo pochi secondi o minuti.

Il prototipo della Binghamton University suddivide ogni elemento in tre zone, disposte dal bordo verso il centro. La configurazione guida il trasporto dell’acqua e mantiene più a lungo il gradiente. Secondo il modello proposto dal gruppo, l’acqua entra in contatto con parti chimiche ricche di ossigeno presenti nella carta e si dissocia, liberando ioni idrogeno. Ai bordi, dove si trova il glicerolo, ne viene liberata una quantità maggiore rispetto alla zona intermedia. La differenza spinge gli ioni verso l’interno e contribuisce alla generazione di elettricità. La quota di carica trasportata da questi specifici ioni non è stata dimostrata direttamente.

Glicerolo, PVP e cera: le tre zone del quadrato

Ogni elemento misura due centimetri per lato ed è realizzato su carta da laboratorio. Lungo il perimetro si trova il glicerolo, che cattura il vapore acqueo. Viscosa e igroscopica, questa sostanza richiama l’acqua dall’aria. Più all’interno è applicato il polivinilpirrolidone, o PVP, un polimero che trattiene l’acqua con maggiore forza e occupa parte degli spazi fra le fibre.

Al centro, infine, la carta è trattata con cera. Il glicerolo raccoglie l’umidità, il PVP la richiama con più intensità e la cera respinge l’acqua liquida. Il vapore riesce però a passare attraverso piccoli spazi e a disperdersi nella stanza. La parte centrale funziona da sfiato, mentre il bordo continua ad assorbire: lungo il perimetro il quadrato rimane più umido, al centro più asciutto.

Questo assetto sostiene il flusso dell’acqua e la separazione delle cariche necessaria a produrre corrente. La prestazione dipende dalla combinazione dei materiali e da come sono disposti sulla superficie. Il gruppo aveva già utilizzato un principio simile per dirigere i liquidi in una sola direzione, in cerotti per il sudore e medicazioni.

Quanta energia produce il pannello

Nel test principale, con un’umidità relativa dell’80%, un singolo quadrato ha raggiunto circa 2,2 microwatt per centimetro quadrato se il calcolo viene riferito soltanto all’elettrodo di carbonio che raccoglie la corrente. L’elettrodo copre un quarto dell’elemento. Considerando invece tutta la superficie, il valore è di circa 0,55 microwatt per centimetro quadrato, il dato più utile per valutare una carta da applicare a una parete. Con aria più secca, tensione e potenza calano.

A circuito aperto, cioè senza un dispositivo collegato, la tensione misurata è stata di circa 0,34 volt per quadrato nelle condizioni di prova. Collegando dieci elementi in serie si sono raggiunti circa tre volt. Nel test descritto la produzione è rimasta stabile per almeno 90 minuti. Per alimentare la tastiera, i ricercatori hanno quindi assemblato una matrice di molti quadrati.

Il pannello da 1.596 elementi è stato montato su una parete interna. Con un’umidità intorno al 38% ha alimentato una tastiera wireless, che ha permesso di scrivere in tempo reale. La potenza complessiva resta contenuta e orienta il progetto verso sensori e altri dispositivi elettronici a basso consumo.

La prova in una camera sigillata

Il rivestimento sottrae acqua all’aria oltre a produrre elettricità. Nella prova più evidente, svolta in una camera sigillata senza ricambio d’aria, 28 quadrati hanno ridotto l’umidità dal 75% al 50% in quattro minuti. Il livello iniziale era elevato e compatibile con condizioni che possono favorire la formazione di muffe. Il test mostra quanto rapidamente il materiale assorba umidità in uno spazio chiuso.

In un’altra prova, il pannello più grande ha fatto scendere dal 38% al 32% l’umidità misurata vicino alla parete, nell’arco di 15 minuti. Gli autori considerano confortevole un intervallo compreso fra il 40% e il 60%; il locale di questo test era quindi già piuttosto asciutto. La lettura è stata effettuata vicino al rivestimento.

La doppia funzione del materiale può interessare gli edifici in cui il controllo dell’umidità ha un ruolo importante. Gli impianti di climatizzazione e trattamento dell’aria consumano energia anche per rimuovere il vapore. Una parete che ne assorba una parte potrebbe contribuire, in futuro, a ridurre quel carico e produrre nel frattempo una piccola quantità di corrente. Il risparmio energetico resta un’ipotesi: il prototipo non ha registrato una riduzione dei consumi di un impianto HVAC.

L’impiego più plausibile riguarda l’elettronica a basso consumo, distribuita in più punti di un edificio. Tra le applicazioni indicate dai ricercatori ci sono:

• sensori ambientali per rilevare le condizioni interne e raccogliere dati;
• piccoli moduli di comunicazione wireless;
• tastiere e interfacce a basso consumo;
• pannelli di controllo per edifici intelligenti e dispositivi dell’Internet of Things.

Integrare il generatore nel rivestimento avvicinerebbe l’alimentazione al punto in cui serve e potrebbe ridurre il ricorso alle batterie per alcuni sensori. La tastiera wireless alimentata dal pannello dimostra il funzionamento con un dispositivo a basso consumo; l’uso continuativo negli edifici e nelle reti di sensori è invece un’applicazione futura. La tecnologia non è destinata a ricaricare telefoni, alimentare le luci di casa o ridurre da sola la bolletta elettrica.