L’Energy Harvesting, tecnologia analogica che sfrutta le proprietà fisiche dei materiali e le leggi della fisica che le governano, con l’approccio a settori tecnologici come l’IoT, l’IoE e le tecnologie wearable, sta conoscendo una nuova considerazione da parte dei progettisti. Ecco alcune considerazioni al riguardo.
Lo sviluppo pervasivo delle tecnologie della comunicazione e dell’intelligenza artificiale sta facendo emergere la problematica energetica. Internet of Things (IoT) e Internet of Everythings (IoE) implicano la connessione di miliardi di dispositivi (prevalentemente di natura sensoriale) alla rete e al Cloud che esegue i paradigmi di intelligenza artificiale. La maggior parte dei dispositivi connessi sono di natura embedded e con capacità computazionale autonoma periferica (edge computing). La maggior parte di tali dispositivi sono alimentati a batteria e necessiterebbero o di operazioni di sostituzione o di operazioni di ricarica locale delle batterie. Considerando la natura remota della maggior parte delle applicazioni di edge computing, la sostituzione o la ricarica locale delle batterie è una condizione inapplicabile e di conseguenza disabilitante per questa classe di applicazioni. Va considerato inoltre il costo del consumo energetico che implica un numero così elevato di dispositivi (miliardi).
Oltre IoT e IoE, c’è un altro campo applicativo altrettanto pervasivo, il campo applicativo della tecnologia computazionale wearable. I dispositivi wearable interessano aree applicative come quella della comunicazione, della salute (e-health), della sicurezza, ecc. I dispositivi wearable, sono smart-device che a differenza degli smarthphone, date le piccolissime dimensioni, non sono in grado di ospitare una batteria di elevata capacità, ma solo batterie di piccole dimensioni (pasticca) e di limitata carica. Anche per i wearable il problema energetico è determinate relativamente alla effettiva applicabilità e dato che si riferiscono alle persone, i potenziali volumi applicativi sono strettamente legati alla numerosità della popolazione mondiale (miliardi).
IoT, IoE e wearable sono tecnologie dell’informazione in rapidissimo sviluppo che reclamano tecnologie energetiche adeguate ai requisiti abilitanti che le caratterizzano: la risposta è l’Energy Harvesting.
L’Energy Harvesting è una tecnologia analogica che sfruttando varie proprietà fisiche dei materiali e le relative leggi della fisica che le governano, consente il recupero dall’ambiente di una certa quantità di energia che diversamente andrebbe dispersa (per esempio: l’energia termica, l’energia elettromagnetica, l’energia meccanica, l’energia luminosa, l’energia chimica, ecc.). L’energy harvesting è da lungo tempo oggetto di studio e di tentativi di applicazione pratica (un noto caso applicativo sono le cellule fotovoltaiche per la trasformazione dell’energia ottica in energia elettrica adatta ad alimentare dispositivi elettronici), fino ad ora la limitata ricerca e sviluppo in questo campo non ha portato a casi applicativi significativi e soprattutto alla generalizzazione oltre ad un soddisfacente livello di embedding.
Recentemente, sotto la pressione di settori applicativi in fortissimo sviluppo come IoT, IoE e Wearable, l’energy harvesting ha carpito l’attenzione dei ricercatori e sviluppatori che hanno prodotto nuove conoscenze e scoperte su come è quali tecnologie possono essere applicate per alimentare i dispositivi elettronici in tutti i possibili contesti applicativi, senza limitazioni e in modalità ecocompatibile.
Parallelamente alla tecnologia dell’energy harvesting si è sviluppata quella dei supercapacitori. Questi sono una componente funzionale essenziale degli energy harvester in quanto consentono di accumulare in grande quantità e in tempi rapidi le piccole energie catturate dagli harvester e renderle disponibili in maniera immediata e utile ai dispositivi elettronici.
Optical energy harvesting
L’optical energy harvesting è un approccio integrato per la raccolta di energia dalla luce per alimentare dispositivi elettronici per l’elaborazione dell’informazione.
Un caso applicativo interessante e significativo per l’elettronica è quello del CMOS-based optical energy harvesting sviluppato presso il Nara Institute of Science and Technology, Ikoma, Nara, Japan (Japanese Journal of Applied Physics, Volume 57, Issue 4S, pp. 04-05 (2018)). Il dispositivo basato su CMOS per l’energy harvesting ottico è finalizzato ai dispositivi impiantabili e ai dispositivi IoT. Il circuito CMOS accumula in un capacitore esterno una piccola quantità di energia elettrica convertita dalla luce, per fornirla al dispositivo target.
Thermal energy harvesting
L’energia termica, in tutte le sue forme, è quella più disponibile e meno utilizzata.
Il thermal energy harvesting si basa sulla conversione di gradienti di temperatura (anche molto piccoli) in differenze di potenziale elettrico. La relazione tra energia termica e corrente elettrica è una proprietà fisica tipica dei materiali che si manifesta come resistenza al passaggio della corrente elettrica noto come riscaldamento resistivo (Joule heating). Il Joule heating è proporzionale al quadrato della corrente e alla resistenza del materiale attraversato dalla corrente.
Al fine di ottenere energia elettrica dal calore cioè l’applicazione della scoperta di Seebeck (1821) che due conduttori elettrici diversi e uniti tra loro formano una termocoppia, cioè un dispositivo che sviluppa una forza elettromotrice (FEM) se la giunzione viene sottoposta a un gradiente di temperatura (un elemento della termocoppia è a una temperatura differente dall’altro elemento).
I semiconduttori, data la loro particolare natura conduttiva, manifestano un effetto Seebeck amplificato rispetto ai normali materiali conduttivi, quindi si prestano maggiormente alla realizzazione elettronica dei Thermal Energy Harvester e soprattutto si prestano all’integrazione microelettronica e in particolare a quella microelettromeccanica MEMS.
Micropelt utilizzando il suo processo micro-structuring combinato con la tecnologia a semiconduttori ha ottenuto una densità di integrazione fino a 50 termocoppie per mm2, in pratica la più alta densità di integrazione di elementi termoelettrici ottenuta dalla combinazione della thermoelectric thin film deposition e della tecnologia MEMS.
STMicroelectronics in collaborazione con Micropelt ha realizzato un evaluation kit che combina la tecnologia thin-film thermal energy harvesting di Micropelt e quella solid-state thin-film battery (EnFilm di STM) per realizzare un autonomous wireless sensor (TE Power Node). L’elettronica di controllo della potenza e di monitoraggio della carica connettono ad un software di interfaccia grafica utente (GUI) attraverso un link wireless a 2,4 GH. Questo kit dimostra come la tecnologia TEG e quella EnFilm battery si completano a vicenda per l’implementazione di thermo harvester nelle applicazioni embedded.
Energy Harvesting dal grafene
Il grafene, noto per le sue innumerevoli e sorprendenti applicazioni, è un potenziale protagonista nelle applicazioni di energy harvesting. Presso l’università dell’Arkansas (USA) un gruppo di ricerca ha teorizzato e dimostrato la possibilità di realizzare un circuito elettronico capace di catturare il moto termico del grafene e convertirlo in corrente elettrica. L’obiettivo è quello di integrare tale funzionalità in un chip per ottenere una fonte di energia illimitata a bassa potenza e priva di rumore per alimentare dispositivi embedded low-power. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati nel Journal of Physical Review (Thibado, P. M. and Kumar, P. and Singh, Surendra and Ruiz-Garcia, M. Lasanta e A. Bonilla, L. L., Fluctuation-induced current from freestanding graphene, in Phys. Rev. E, volume 102, issue 4, pages 042-101, Oct. 2020, American Physical Society, https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.102.042101).
L’obiettivo di questa ricerca è di pervenire alla miniaturizzazione di questo circuito di harvesting in un chip di 1×1 mm, per realizzare un sostitutivo low-power delle batterie tradizionali.
