Sensori ambientali, sistemi per l’acquacoltura, dispositivi di monitoraggio e piccoli mezzi autonomi lavorano sempre più spesso sotto la superficie del mare. Alimentarli per lunghi periodi, però, rimane complesso. Una ricerca condotta in Cina apre una possibilità interessante: utilizzare celle fotovoltaiche progettate appositamente per sfruttare la luce che riesce a penetrare nell’acqua, anche a diversi metri di profondità.
Quando pensiamo al fotovoltaico, la prima condizione che diamo per scontata è la disponibilità di luce solare. Per questo l’idea di collocare una cella fotovoltaica a dieci metri sotto la superficie dell’acqua potrebbe sembrare poco intuitiva, considerando che proprio l’acqua assorbe e modifica progressivamente la radiazione solare man mano che aumenta la profondità.
Eppure, scegliendo materiali capaci di lavorare con la porzione di spettro luminoso che riesce a penetrare sott’acqua, il principio può funzionare. Un gruppo di ricercatori guidato da Wen-Hua Zhang dell’Università dello Yunnan, in Cina, ha sviluppato celle solari in perovskite capaci di produrre elettricità anche a circa dieci metri di profondità, ottenendo risultati che potrebbero rendere questa tecnologia interessante per alcune applicazioni marine autonome.
L’obiettivo, naturalmente, non è immaginare grandi centrali fotovoltaiche installate sul fondale al posto degli impianti terrestri o galleggianti. Il possibile campo di applicazione è molto più specifico e riguarda tutti quei dispositivi che devono funzionare sott’acqua per lunghi periodi e che oggi dipendono prevalentemente da batterie o da sistemi di alimentazione collegati alla superficie.
Il problema dell’energia per i dispositivi subacquei
Mari, laghi e bacini ospitano una quantità crescente di strumenti utilizzati per raccogliere dati, controllare la qualità dell’acqua, monitorare gli ecosistemi, gestire gli allevamenti ittici oppure supportare attività scientifiche e industriali. A questi si aggiungono droni e piccoli veicoli subacquei autonomi, per i quali la disponibilità di energia rappresenta inevitabilmente uno dei principali limiti operativi.
Una fonte capace di produrre elettricità direttamente nell’ambiente in cui questi dispositivi lavorano potrebbe quindi ridurre la necessità di recuperare periodicamente le apparecchiature per sostituire o ricaricare le batterie e, almeno per applicazioni caratterizzate da consumi contenuti, aumentarne l’autonomia.
È partendo da questa esigenza che negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso il fotovoltaico subacqueo. Le sperimentazioni condotte fino a oggi, tuttavia, si erano concentrate prevalentemente su profondità limitate, generalmente non superiori a circa due metri, lasciando ancora aperta la questione della possibilità di ottenere quantità di energia utilizzabili a profondità maggiori.
La ricerca dell’Università dello Yunnan ha provato a spostare questo limite fino a circa dieci metri, avvicinando così la tecnologia a condizioni più compatibili con possibili applicazioni reali.
Perché una normale cella fotovoltaica non basta
Portare un pannello sott’acqua non significa semplicemente proteggerlo dall’umidità. Il problema principale riguarda infatti la luce disponibile.
Attraversando l’acqua, la radiazione solare viene progressivamente assorbita e dispersa e alcune lunghezze d’onda scompaiono molto rapidamente. Oltre i 730 nanometri, nella regione del rosso e dell’infrarosso, l’assorbimento dell’acqua diventa particolarmente significativo. Le tradizionali celle in silicio, progettate per utilizzare uno spettro solare molto più ampio, non sono quindi necessariamente la soluzione più efficace in questo ambiente.
I ricercatori cinesi hanno scelto per questo motivo di lavorare con perovskiti ad alogenuri di piombo, materiali che permettono di regolare con maggiore precisione le caratteristiche di assorbimento della cella e adattarle allo spettro luminoso effettivamente disponibile sott’acqua.
Il dispositivo sperimentale è stato realizzato utilizzando una banda proibita di circa 1,96 eV e introducendo un additivo, indicato come PHMG, impiegato per migliorare il processo di cristallizzazione del materiale, favorire l’allineamento dei livelli energetici e limitare alcune delle perdite che si verificano durante la conversione della luce in elettricità.
I risultati ottenuti a dieci metri di profondità
In laboratorio le celle hanno raggiunto un’efficienza di conversione del 16,79% in condizioni standard, mentre nelle condizioni luminose simulate corrispondenti a una profondità di dieci metri è stato misurato un valore del 34,71%.
Un numero che, preso isolatamente, potrebbe sembrare sorprendente e persino suggerire che una cella solare lavori meglio sott’acqua. In realtà il confronto richiede cautela: l’efficienza indica la percentuale della radiazione luminosa disponibile che viene trasformata in elettricità e, a dieci metri di profondità, la quantità e soprattutto la composizione della luce sono molto diverse rispetto alla superficie. La perovskite utilizzata dai ricercatori è stata progettata proprio per sfruttare in maniera particolarmente efficace quello spettro ristretto.
Per valutare l’utilità concreta del sistema è quindi più significativo osservare quanta energia sia stata effettivamente prodotta. Nei test condotti con moduli di dimensioni maggiori e in condizioni reali, il sistema ha generato 324 mWh durante due ore di illuminazione a dieci metri di profondità, energia sufficiente, secondo i ricercatori, per ricaricare piccole batterie al litio e alimentare dispositivi a basso consumo come LED.
Un altro elemento importante riguarda la durata. Le analisi effettuate dal gruppo di ricerca indicano una stabilità operativa stimata intorno ai 5,5 anni a una temperatura di 25 °C in immersione, un parametro particolarmente rilevante se si considera che una delle possibili utilità della tecnologia sarebbe proprio quella di alimentare apparecchiature destinate a rimanere sott’acqua per periodi prolungati.
Una tecnologia di nicchia che potrebbe risolvere problemi molto concreti
Il fotovoltaico subacqueo si trova ancora in una fase di ricerca e diversi aspetti dovranno essere verificati prima di poter parlare di applicazioni su scala commerciale. Oltre alla capacità di funzionare a profondità maggiori, sarà necessario valutare la resistenza dei materiali in ambienti marini reali, gli effetti della pressione, della salinità e delle incrostazioni biologiche, oltre alla possibilità di produrre questi dispositivi con costi compatibili con gli utilizzi previsti.
Il gruppo guidato da Zhang intende proseguire proprio in questa direzione, sperimentando le celle a profondità superiori e lavorando alla definizione di protocolli di prova specifici per il fotovoltaico subacqueo.
Al di là dei risultati che questa particolare tecnologia riuscirà a raggiungere, la ricerca mostra anche quanto si stia ampliando il campo di applicazione dell’energia solare. Non necessariamente attraverso impianti sempre più grandi, ma anche mediante sistemi estremamente specializzati, progettati per produrre piccole quantità di energia esattamente nel luogo in cui servono.
In questo caso, persino diversi metri sotto la superficie del mare.
