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Piccoli alberi elettromeccanici per produrre energia elettrica dalle vibrazioni

La Ohio State University sta portando avanti un progetto di ricerca per capire in che modo si possa generare energia rinnovabile dalle naturali vibrazioni dell'ambiente, generate da forze atmosferiche, da
eventi naturali o dall'attivit umana. In uno degli ultimi numeri del Journal of Sound and Vibration, i ricercatori OSU raccontano di aver scoperto qualcosa di nuovo sulla propagazione delle vibrazioni usando particolari strutture che possono ricordare lo schema di un albero elementare senza foglie. In particolare i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che queste strutture, costruite con materiali elettromeccanici, sono capaci di convertire forze casuali, come quelle esercitate dal vento o dai passi della folla su di un ponte, in forti vibrazioni strutturali che sono idonee alla generazione di energia elettrica. Sebbene l'idea possa richiamare alla mente ampi spazi aperti dove questi particolari "alberi elettromeccanici" ondeggiano nel vento il professor Ryan Harne, responsabile della ricerca presso il Laboratory of Sound and Vibration dell'OSU, spiega che questo tipo di tecnologia mostra la sua efficacia quando applicata su piccola scala, in quelle situazioni dove la generazione di energia da altre fonti rinnovabili non una strada percorribile. "Gli edifici ondeggiano leggermente nel vento, i ponti oscillano quando li attraversiamo e le sospensioni dell'auto assorbono le sconnessioni della strada. C' una gran quantit di energia cinetica correlata a questi movimenti che viene persa. Vogliamo recuperare e riciclare una parte di questa energia" ha spiegato Harne. In una prima fase l'idea di impiegare dispositivi simili ad alberi per catturare il vento o l'energia delle vibrazioni parsa abbastanza logica, dato che gli alberi reali dissipano energia quando ondeggiano. Gi altri gruppi di ricerca hanno avuto modo di testare l'efficacia di strutture simili usando vibrazioni ideali, cio differenti da quelle casuali generate nel mondo reale. L'assunto precedente era infatti che le forze casuali naturali non erano adatte per generare quel tipo di oscillazioni omogenee che permettono a loro volta di generare energia elettrica. Tramite la modellazione matematica Harne ha invece determinato che per le strutture ad albero possibile riuscire a mantenere le vibrazioni ad una frequenza omogenea nonostante molti input casuali, cos che l'energia possa essere efficacemente catturata e conservata. In particolare Harne ha individuato la possibilit di indurre un albero elettromeccanico a vibrare a bassa frequenza e larga ampiezza, anche quando la struttura viene sollecitata solamente da forze ad alta frequenza. La modellazione matematica ha stabilito che questo sistema riesce a funzionare anche quando le forze vengono sensibilmente sopraffatte da interferenze casuali, come le vibrazioni naturali dell'ambiente. Harne e i colleghi hanno quindi messo alla prova il modello matematico con un esperimento, costruendo un dispositivo simile ad un albero usando due piccoli steli di acciaio (il fusto e i rami) collegati da una striscia di materiale elettromeccanico il polivinilidenfluoruro (PVDF) che converte le oscillazioni strutturali in energia elettrica. Questa struttura stata installata su un dispositivo scosso avanti e indietro ad alte frequenze che hanno permesso di generare una piccola tensione di 0,8 Volt. A questo punto i ricercatori hanno aggiunto "rumore" al sistema, come se l'albero venisse colpito casualmente in varie direzioni. A questo punto la struttura ha mostrato ci che Harne chiama "fenomeno di saturazione": ad un certo punto l'energia ad alta frequenza viene improvvisamente incanalata in un'oscillazione ad bassa frequenza. A questo punto l'albero oscilla sensibilmente e percettibilmente avanti e indietro, con una vibrazione sincronizzata di tronco e rami. La bassa fequenza ha permesso di generare una tensione pi che doppia, di quasi 2 Volt. Si tratta di basse tensioni, ma l'esperimento ha rappresentato il cosiddetto "proof of concept" ovvero riuscito a dimostrare che energie casuali possono produrre vibrazioni utili per generare elettricit. "Abbiamo generato molto rumore e scoperto che il fenomeno di saturazione piuttosto forte e la tensione in uscita affidabile. Si tratta di qualcosa che in precedenza non era noto" ha spiegato Harne. Tra le prime applicazioni pratiche vi potrebbe essere l'alimentazione di sensori atti al monitoraggio dell'integrit strutturale di infrastrutture civili, come ponti ed edifici. Harne si immagina questi piccoli alberi ad alimentare sensori collocati nella parte inferiore di un ponte o nelle strutture portanti di un edificio. I sensori monitorano l'integrit dell'edificio rilevando le vibrazioni che lo percorrono. L'obiettivo iniziale del progetto di trasformare le vibrazioni in energia elettrica cos che i sistemi di monitoraggio strutturale possano essere alimentati dalle stesse vibrazioni che vanno a monitorare. Oggi l'unico modo di alimentare la maggior parte dei sensori strutturali prevede l'impiego di batterie o il collegamento diretto alle linee di corrente, in entrambi i casi con complicazioni di costi e gestione per quei sensori collocati in zone di difficile accesso. Se i sensori potessero raccogliere l'energia delle vibrazioni sarebbero in grado di acquisire e trasmettere dati in modo autosufficiente.

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