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L'energia rinnovabile sta diventando ogni giorno di più il nostro presente e per espandersi ha bisogno di trovare materiali che siano in grado di rendere sempre più efficienti le tecnologie necessarie a produrla e utilizzarla. Per il futuro del rinnovabile la risposta sembra racchiudersi in un materiale: il grafene. Un sottilissimo strato di atomi di carbonio dalle proprietà eccezionali che è stato scoperto nei primi anni Duemila ed è valso il premio Nobel per la Fisica 2010 ai due ricercatori di Manchester Andre Geim e Kostantin Novoselov.
Organizzati in una struttura cristallina a celle esagonali, gli atomi di carbonio creano un materiale che ha una resistenza meccanica centinaia di volte superiore a quella dell'acciaio e proprietà termiche, elettroniche ed elettriche che lo rendono il candidato ideale alla realizzazione di celle solari molto più efficienti di quelle ad oggi disponibili, batterie di maggiore durata e sistemi di stoccaggio dell'idrogeno innovativi.
Grafene, la storia di un materiale rivoluzionario
Nel 2004 i due fisici dell'università di Manchester, Andre Geim e Kostantin Novoselov, realizzano dopo anni di studi un transistor con un nuovo materiale detto grafene. Si tratta di un sottile strato di atomi di carbonio disposti in una struttura cristallina a celle esagonali che si dimostra molto resistente, ma allo stesso tempo un buon conduttore sia di elettricità che di calore, più di ogni altro materiale conosciuto. Allo stesso tempo, la struttura ordinata lo rende sia trasparente alla luce, quindi perfetto per realizzare fibre ottiche, che impenetrabile: nemmeno l'elio, il gas con gli atomi più piccoli conosciuto, riesce ad attraversarlo.
Una scoperta, quella dei due fisici, che nel 2010 gli varrà il premio Nobel per la fisica, perché ha aperto la strada a nuovi esperimenti che aprono prospettive inesplorate per la fisica quantistica e che ha un'ampia gamma di applicazioni, dall'elettronica e le telecomunicazioni, ai televisori, i pannelli solari e le batterie. Il futuro dell'energia rinnovabile prende forma con questo materiale.
Grafene, dalla fibra ottica alle batterie delle auto elettriche
Se nell'ambito di ricerca pura, il grafene è un materiale bidimensionale che permette nuovi esperimenti sulla fisica quantistica, nell'applicazione pratica si rivela utili in moltissimi campi di utilizzo. La sua trasparenza lo rende perfetto per la costruzione di una nuova generazione di schermi touchscreen, o ancora per realizzare fibra ottica e reti destinate all'Internet, e ancora componenti di satelliti, aeroplani e di altri mezzi di trasporto.
Inoltre, il materiale è apparso un ottimo candidato fin dal primo momento per la realizzazione di batterie con una capacità di immagazzinamento di energia ad oggi ben superiore di quelle sul mercato, oltre ad avere tempi di ricarica più veloci, motivo che le rende ottime batterie per le auto elettriche.
Nel mese di settembre 2020, la Skeleton Technologies insieme al Karlsruhe Institute of Technology hanno annunciato una collaborazione per lo sviluppo di batterie al grafene con ricarica da 15 secondi destinata ai veicoli elettrici. La Super-Battery oltre a una ricarica rapida, garantirebbe centinaia di migliaia di cicli di ricarica. Proprio queste caratteristiche risponderebbero alle esigenze delle batterie di questo tipo di veicoli, penalizzate da tempi di rifornimento lenti e dal degrado della batteria, e il suo successivo smaltimento.
Grafene e celle solari: il futuro delle rinnovabili
È però nell'energia rinnovabile che questo materiale può fare la differenza, grazie alle sue capacità di conduzione dell'elettricità e del calore, oltre che alla sua resistenza. Il grafene offre la possibilità di realizzare pannelli e celle solari con un'efficienza energetica maggiore. Fin dai primi esperimenti in laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un livello di conversione dell'energia solare in elettrica fino al 60% in più del valore medio delle migliori celle solari in commercio.
A dare un contributo nello sviluppo di grandi fogli di grafene ad alta qualità, fondamentali per la produzione di pannelli solari ad alta efficienza, è uno studio dei ricercatori del Massachussetts Institute of Technology (MIT). Ad oggi tra le tecniche più utilizzate c'è la "coltivazione" di grandi fogli di grafene attraverso la tecnica di deposizione chimica da vapore utilizzando il rame come "strato di semina". Il più grande limite di questa tecnica è che liberare il film di grafene dal rame non è un'operazione semplice e rischia di provocare danni, seppur minuscoli, al foglio e di degradarne quindi la conduttività.
Per superare il problema, il team del MIT ha utilizzato come substrato un materiale polimerico chiamato parilene che fa da "tampone", e consente una rimozione del foglio di grafene ultrasottile dal substrato facile. Con questo metodo, pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Functional Materials nel giugno 2020, i ricercatori sono riusciti a ottenere in modo affidabile grandi fogli di grafene e trasferirli senza alternarne le proprietà elettriche e meccaniche. Un passo avanti concreto nella realizzazione di celle solari sempre più efficienti e con costi di produzione più bassi di quelle attuali.
