PER MAGGIORI INFORMAZIONI: CésarDe Julián Fernández - +39 0521 269278 - cesar.dejulian@imem.cnr.it, Simone Fabbrici - +39 0521269229 - simone.fabbrici@imem.cnr.it, Stefano Rampino - +39 0521 269282 - stefano.rampino@imem.cnr.it
L’istituto IMEM opera sui temi dell’energia principalmente dal punto di vista dello sviluppo di materiali con proprietà funzionali e sullo sviluppo di alcuni di essi in dispositivi e prototipi da utilizzare come sensori e come harvesters. Su questa tematica vi sono diverse UdR di IMEM impiegate in attività di ricerca, finanziata in diversi tipologie di progetti.
Dimostratori di energy harvesting basati sul meccanismo del reverse electrowetting
Il meccanismo: la deformazione di uno strato di liquido (o di idrogel) su una superficie dielettrica viene convertito in corrente elettrica. Con questo metodo si può recuperare energia nel dominio delle vibrazioni ambientali a bassa frequenza e dei movimenti umani, ambiti che sono al momento trascurati dagli altri metodi di energy harvesting.
Questa attività è condotta in collaborazione con una PMI interessata allo sviluppo di dispositivi indossabili. Al momento è stata dimostrata la generazione di potenze nell’ordine del microWatt. Le prospettive di miglioramento si stanno concentrando sulla qualità e morfologia delle superfici di contatto.
Funzionalizzazione di materiali industriali con nanostrutture speciali
IMEM ha sviluppato processi per la deposizione di ossidi nanostrutturati piezoelettrici e semiconduttori direttamente su materiali di interesse industriale, come compositi a fibra di carbonio, fibre tessili e polimeri in generale. Il ricoprimento delle fibre con questi materiali nanostrutturati li dota di funzionalità sensoristiche di stress/strain, di elettroliti e, in principio, come microgeneratori piezoelettrici che convertono le deformazioni in energia elettrica.
IMEM sta lavorando a dispositivi potenzialmente impiegabili per il monitoraggio dell’integrità strutturale degli oggetti funzionalizzati (ad esempio per elementi strutturali in edifici o veicoli), per sensori di pressione con risposta dinamica dipendente dal materiale di volta in volta impregnato, e per sensori di elettroliti da usare in ambito medicale o di agricoltura intelligente.
Dispositivi miniaturizzati piezoelettrici su microlitografie di silicio
Il meccanismo: la deformazione indotta da vibrazioni viene convertita in corrente elettrica per effetto piezoelettrico.
IMEM è impegnato nell’attività di modellizzazione e simulazione di questi dispositivi, che vengono poi realizzati da partner europei. Questa tecnologia è molto interessante per l’integrazione on-chip in sensori e apparati elettronici. L’obiettivo è quello di generare energia nell’ordine del microWatt, idealmente in un intervallo di frequenze inferiore al kHz e con materiali pienamente compatibili con la tecnologia CMOS.
Gli oscillatori sono dei generatori efficaci solo quando vibrano in condizioni di risonanza. Le prospettive di miglioramento si concentrano sul design delle microlavorazioni, che sono pensate per incrementare i modi vibrazionali accessibili alla struttura e quindi per allargare la banda di frequenze in grado di innescare il recupero di energia.
Materiali magnetocalorici per refrigerazione e per harvesting da calore disperso
Il meccanismo: i materiali magnetocalorici si scaldano e si raffreddano se sottoposti ad una variazione di campo magnetico. Viceversa, se sottoposti ad una variazione di temperatura rispondono con una variazione di induzione magnetica.
Presso IMEM si studiano e perfezionano materiali magnetici con proprietà magnetocaloriche. Le attività di ricerca riguardano lo sviluppo di materiali innovativi, con particolare attenzione alla creazione di nuove leghe e allo studio delle proprietà fisiche. IMEM ha inoltre coordinato un progetto di Ricerca Industriale Strategica della regione Emilia-Romagna per lo sviluppo di un prototipo di refrigeratore magnetocalorico.
Questi materiali sono impiegati come componenti attivi in nuove pompe di calore (refrigeratori e condizionatori) a stato solido, scalabili, prive dei gas refrigeranti convenzionali che sono in fase di sostituzione per il loro elevato potenziale di effetto serra. Questi nuovi refrigeranti magnetici sono attualmente in stato prototipale, non ancora commerciale, ma promettono migliore efficienza energetica e ridotto impatto ambientale. Recentemente gli stessi materiali sono stati proposti come elemento attivo in dispositivi di energy harvesting per la generazione di energia elettrica recuperando il calore dei piccoli cascami termici, cioè il calore residuale presente nei sistemi di raffreddamento di innumerevoli processi industriali e produttivi e che è altrimenti destinato alla dissipazione in ambiente. L’operatività di un energy harvester magnetocalorico è infatti possibile in circuiti termici in cui punto caldo e freddo sono separati da poche decine di gradi di temperatura (punto caldo ad esempio sotto il punto di vapore acqueo).
Materiali magnetoelastici per harvesting da vibrazioni
Il meccanismo: i materiali magnetostrittivi e a memoria di forma magnetica cambiano la loro induzione magnetica quando sottoposti a stimoli meccanici: possono essere impiegati in un circuito di induzione elettromagnetica per recuperare energia elettrica dalle vibrazioni. Ad esempio, questo tipo di tecnologia è promettente anche in ambito marino: l'energia meccanica del moto ondoso, delle correnti e delle maree può essere convertita in elettricità per alimentare piccoli dispositivi elettrici o reti di sensori.
Presso IMEM si studiano e perfezionano materiali magnetici con proprietà di memoria di forma. Le attività di ricerca riguardano lo sviluppo di materiali innovativi, con particolare attenzione alla creazione di nuove leghe e allo studio delle proprietà fisiche.
Magneti permanenti per applicazioni nel campo dell’energia
I magneti permanenti giocano un ruolo primario nello sviluppo delle tecnologie verdi essendo componenti essenziali dei motori ibridi e elettrici e dei generatori eolici e alla base delle più importanti tecnologie di produzione e trasformazione dell'energia. Lo sviluppo di nuovi materiali ad alte prestazioni e ridotto contenuto di elementi critici è prioritario per la riduzione del consumo energetico e delle emissioni di gas serra.
IMEM partecipa al progetto europeo AMPHIBIAN "Anisometric permanent hybrid magnets based on inexpensive and non-critical materials, H2020-NMBP-2016-2017 ed è un punto di riferimento internazionale per la misura di anisotropia in materiali per magneti permanenti. Il suo ruolo è incentrato sullo studio delle proprietà fisiche dei materiali.
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