Un semplice pezzo di legno potrebbe contribuire a far progredire l’energia solare superando uno dei suoi limiti più noti: l’oscurità. Un team di ricercatori cinesi ha trasformato il legno di balsa in un materiale in grado di assorbire il calore solare durante il giorno e di rilasciarlo successivamente, continuando così a generare elettricità anche dopo il calar del sole. Il risultato, illustrato in uno studio pubblicato su Advanced Energy Materials, apre a nuove possibilità per rendere l’energia solare più continua e utilizzabile.
La questione da cui prende avvio la ricerca è semplice e di grande rilevanza. Il fotovoltaico funziona bene quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli, ma poi arriva una nuvola, cala la sera, cambia la temperatura della superficie e l’energia disponibile diminuisce proprio nei momenti in cui la domanda tende ad aumentare. Una soluzione comune consiste nell’immagazzinare l’elettricità prodotta durante il giorno in grandi batterie. Un’altra strategia si basa sul calore: la luce viene convertita in energia termica, che viene poi utilizzata tramite un generatore termoelettrico, capace di produrre corrente grazie al gradiente di temperatura. Finché la superficie rimane calda, il sistema è operativo. Quando il calore si disperde, la differenza termica si riduce e la produzione rallenta.
Per mantenere aperta questa opportunità energetica, i ricercatori hanno lavorato su materiali a cambiamento di fase, che assorbono calore mentre si fondono e lo rilasciano quando tornano allo stato solido. Il problema, nei sistemi tradizionali, risiedeva nell’architettura: strati sovrapposti, interfacce complesse, calore che fatica a attraversare i confini tra i vari livelli. Inoltre, molti approcci prevedevano la carbonizzazione, ovvero trattamenti ad alta temperatura utili a scurire il materiale e migliorare l’assorbimento della luce, ma con un costo elevato sulla struttura chimica e sulla possibilità di aggiungere protezioni veramente robuste contro acqua e fuoco. Il gruppo cinese ha optato per un approccio differente: niente sandwich di strati, ma un unico scheletro funzionale costruito dall’interno.
La scelta della balsa è motivata da ragioni molto pratiche. Cresce rapidamente e, osservata al microscopio, presenta canali verticali ordinati che sembrano tubicini naturali già predisposti a condurre il calore e a ospitare altri materiali. Il primo passo è stato rimuovere la lignina, la componente che conferisce rigidità al legno. In questo modo, i canali interni si sono ampliati e la porosità ha superato il 93 per cento. Tuttavia, a quel punto, la balsa priva di lignina è diventata bianca, risultando quindi poco efficace nell’assorbire la luce. Per risolvere questa problematica, i ricercatori hanno rivestito le pareti interne con nanosheet di fosforene nero, un materiale bidimensionale capace di assorbire luce su un ampio spettro e di condurre bene il calore.
Qui è emerso un ulteriore ostacolo: il fosforene nero si degrada all’aria aperta. Il team lo ha protetto con una rete metallico-polifenolica ottenuta da acido tannico e ioni di ferro. Successivamente, ha fatto crescere sulla superficie piccole nanoparticelle d’argento, utili a migliorare l’assorbimento della luce visibile. Secondo i dati riportati nello studio, i nanosheet protetti hanno mantenuto la loro stabilità anche dopo 150 giorni di esposizione intensa, un passaggio cruciale poiché questo legno solare ha senso solo se resiste all’esterno del laboratorio.
Quando il legno smette di comportarsi da legno
Una struttura così porosa rischiava di comportarsi come qualsiasi pezzo di legno esposto agli agenti atmosferici: assorbire acqua, gonfiarsi e deteriorarsi. Nei test, il supporto grezzo arrivava ad assorbire una quantità d’acqua pari a quasi duecento volte la sua massa. Per contrastare questo punto debole, i ricercatori hanno innestato sulla superficie molecole di ottadecile, lunghe catene di idrogeno e carbonio che costringono l’acqua a formare gocce e a scivolare via. Il materiale ha raggiunto un angolo di contatto di 153 gradi, quindi una superidrofobicità molto marcata, e ha resistito anche a acqua bollente, sfregamenti meccanici e solventi aggressivi.
Una volta preparato il telaio, il team ha riempito i canali con acido stearico, un acido grasso di origine naturale che funge da materiale a cambiamento di fase. Quando il sole colpisce il rivestimento scuro, la struttura si riscalda e l’acido stearico fonde, immagazzinando energia termica. Successivamente, quando l’aria si raffredda, torna gradualmente solido e rilascia il calore accumulato. La differenza rispetto a molti sistemi precedenti risiede nella continuità interna: il calore fluisce all’interno di un materiale concepito come un corpo unico, senza bruschi salti tra strati separati. I ricercatori riportano una conducibilità termica quasi quattro volte superiore rispetto al solo acido stearico e assenza di perdite anche a 80 gradi Celsius.
I dati aiutano a comprendere perché questo lavoro abbia suscitato interesse. Sotto irraggiamento simulato, il composito ha raggiunto una conversione fototermica del 91,27 per cento. Quando la luce è stata rimossa, il calore rilasciato ha alimentato un generatore termoelettrico fino a 0,65 volt, sufficiente a far funzionare una piccola ventola nel buio totale. Dopo 100 cicli di riscaldamento e raffreddamento, le prestazioni sono rimaste costanti. Per ora si tratta di una dimostrazione di principio, quindi nessuno sta suggerendo di sostituire domani i pannelli sul tetto con tavolette di balsa trattata. Tuttavia, la direzione è chiara: materiali economici, naturali, leggeri e progettati con precisione possono contribuire a colmare uno dei vuoti più problematici delle energie rinnovabili, quello tra il sole che è stato e l’energia necessaria dopo.
C’è anche un aspetto meno evidente, ma comunque cruciale, che riguarda la durabilità. Il fosforene contribuisce al comportamento ignifugo: nelle prove il campione ha preso fuoco, per poi estinguersi autonomamente entro due minuti, lasciando uno strato carbonizzato stabile invece di consumarsi rapidamente. Le nanoparticelle d’argento hanno mostrato anche attività antibatterica contro E. coli e Staphylococcus aureus, un dettaglio significativo per un materiale destinato all’esterno, dove umidità e colonizzazione microbica possono compromettere prestazioni e struttura. In altre parole, questo legno solare cerca di affrontare simultaneamente rendimento, resistenza e sopravvivenza nel mondo reale.
La parte più affascinante rimane forse il metodo. Qui il sole viene catturato come calore, conservato in un materiale naturale riprogettato a livello microscopico e restituito lentamente, senza effetti speciali. Il gruppo che ha redatto lo studio parla di una piattaforma scalabile e ambientalmente più sostenibile per la raccolta di energia solare termica.
La distanza tra la prova di laboratorio e le applicazioni pratiche resta ampia, come accade sempre quando si passa dai dati a un prodotto. Tuttavia, l’idea è solida e promettente: utilizzare il legno, uno dei materiali più antichi a nostra disposizione, per estendere il tempo utile del sole. A volte l’innovazione entra da una porta laterale. E trova spazio in una tavoletta di balsa.
fonte: Advanced Energy Materials
