Stiamo diventando sempre più pigri. Prendiamo l’ascensore anche per salire un solo piano e pretendiamo di trovare parcheggio proprio di fronte al ristorante o al negozio in cui dobbiamo andare. Dobbiamo riscoprire il benessere di una leggera attività fisica, anche solo una semplice passeggiata. Se vi dicessimo che camminare non solo fa bene alla salute, ma può anche produrre energia elettrica? E che il futuro potrebbe essere alimentato a passi, magari pure di danza? Facciamo una passeggiata nel mondo dei piezoelettrici!
La scienza che ci sta dietro
La piezoelettricità è una speciale proprietà posseduta solo da un ristretto numero di materiali in natura, per l’appunto detti piezoelettrici. Per trovarli non bisogna cercare chissà dove, poiché ne fanno parte parecchi minerali e cristalli comunissimi come il quarzo. La loro struttura è formata da ioni, ossia atomi con una carica elettrica parziale, disposti con una certa geometria nello spazio.
La caratteristica che accomuna questi materiali è che la struttura degli ioni è asimmetrica, ossia alcuni di essi sono leggermente decentrati rispetto a dove dovrebbero essere per mantenere l’elettroneutralità del cristallo. Questo genera dei dipoli elettrici: potete immaginarli come tanti piccolissimi campi elettrici all’interno della struttura. L’energia di questi campi, che in fisica si chiama potenziale elettrico, dipende dalla distanza tra le cariche, in questo caso gli ioni. Sembra un dettaglio inutile, ma è proprio qui che giace il trucco.
Quando un materiale piezoelettrico è soggetto ad una sollecitazione meccanica, come una trazione o una compressione, la sua struttura molecolare si deforma. Questo comporta uno spostamento degli ioni al suo interno, come quando diamo una forchettata ad una portata di pasta e tutta la pasta si sparpaglia sul piatto. Quindi se gli ioni si muovono cambia la distanza tra essi. Da qui deriva una variazione dell’energia dei dipoli elettrici, cioè una differenza di potenziale: ecco quindi che abbiamo ottenuto un voltaggio, pronto a far muovere una corrente elettrica in un circuito.
Figura 1: principio di funzionamento della piezoelettricità, con uno zoom sulla struttura asimmetrica dei materiali che godono di questa proprietà (fonti: articolo di Md Ashiqur Rahman Laskar e Archimedes.Unibs)
Piccoli piezoelettrici crescono
Piezoelettrici non solo si nasce, ma si diventa. È infatti possibile creare artificialmente un materiale piezoelettrico. Si può fare con alcuni tipi di ceramiche, sottoponendole a fortissimi campi elettrici ad alte temperature. L’importante è portarle, durante il processo, al di sopra di una temperatura critica, denominata temperatura di Curie perché trovata per la prima volta dai fratelli Pierre e Jacques Curie (rispettivamente il marito e il cognato della celeberrima Marie Curie). Con gran sorpresa, si scopre però che ciò che ha permesso al materiale di diventare piezoelettrico, ossia forti campi elettrici ed alte temperature, gli diventa nocivo una volta diventato tale. Queste due condizioni infatti sono la causa principale di depolarizzazione di un piezoelettrico (sia naturale che indotto), ossia di perdita delle sue fantastiche proprietà. Meglio starci alla larga, come farebbe Superman dalla kryptonite.
Ma se i coniugi Curie sono vissuti alla fine dell’800, perché solo adesso parliamo di usare la piezoelettricità per produrre energia? In realtà questo non è vero: è un fenomeno che già sfruttiamo ampiamente. Tantissime applicazioni mediche ne fanno uso, ma per avvicinarci di più alla vita quotidiana basta pensare ad un comunissimo oggetto casalingo: l’accendigas. Basta premere con forza un bottone e si genera una scintilla, pronta per accendere i fuochi domestici: immagino abbiate già capito che sotto quel bottone si nasconda proprio un materiale piezoelettrico.
Ma allora qual è la novità? Sta nel pensare in grande, immaginando di utilizzarli come una centrale elettrica alimentata dalla compressione che i nostri piedi esercitano verso il terreno quando compiamo un passo. È un’idea tanto semplice quanto rivoluzionaria, poiché permetterebbe adogni superficie calpestabile di diventare una fonte energetica semplicemente ricoprendola con piastrelle in materiale piezoelettrico. Ovviamente, per avere quantitativi di energia sufficienti sfruttare un singolo passo non è abbastanza. Le condizioni ideali sono quelle situazioni in cui un gran numero di persone cammina nello stesso momento, o magari compie un’attività fisica più intensa come correre o ballare. Facendo un calcolo veloce, si scopre che servono ben 28500 passi simultanei per alimentare un treno per un secondo!
Applicazioni di piezoelettrici: dalle discoteche ai campi da calcio
I possibili utilizzi per questa tecnologia sono virtualmente infiniti. Ad oggi sono ancora pochi gli esempi di applicazione pratica, perché il costo elevato ne limita parecchio la diffusione. È un po’ un cane che si morde la coda: i grandi costi ne limitano l’installazione, ma se non si installano nuovi impianti il costo non diminuisce e così via. Qualcuno deve spezzare questo circolo vizioso… gli eroi che stiamo cercando potrebbero essere le discoteche.
Uno dei luoghi in cui questa tecnologia sta avendo maggior successo sono le sale da ballo. Effettivamente, se ci cerca un luogo in cui tante persone si muovono contemporaneamente nello stesso spazio ristretto questa è la soluzione più intuitiva. Ci era già arrivato David Guetta, quando nel 2011 pubblicò il video musicale “The alphabeat”, in cui immagina una discoteca del futuro dove la frenesia del ballo viene trasformata in energia per caricare le auto elettriche degli invitati alla festa. Vi consigliamo di dargli un’occhiata, non solo per abbandonarvi alla nostalgica musica degli anni 2000, ma anche per avere un assaggio del futuro che ci aspetta.
Tornando al presente, un virtuoso esempio degno di nota è il Club Surya a Londra. La loro visione è quella di costruire un polo verde in grado di sostenersi con metodi alternativi di produzione energetica. Il fiore all’occhiello del progetto è proprio il pavimento piezoelettrico della sala da ballo. Affermano con orgoglio che, in serate particolarmente affollate, siano in grado di soddisfare il 60% del loro fabbisogno energetico esclusivamente grazie alla piezoelettricità. Un motivo in più per lasciarsi travolgere dalla febbre del sabato sera.
Conclusione
Se non siete fan delle serate in discoteca non temete! Tantissimi altri progetti stanno emergendo in questi ultimi anni. Un percorso di 16 metri quadrati all’aeroporto di Abu Dhabi è stato pavimentato da piastrelle piezoelettriche: si stima che venga attraversato da 8000 passeggeri ogni giorno. Un campo da calcio frequentato dai ragazzi delle favelas di Rio de Janeiro è stato tappezzato allo stesso modo, salvo essere poi ricoperto da erba sintetica per non rovinare l’esperienza di gioco. E in Italia? La prima installazione nazionale si trova al Green Pea di Torino, dove per entrare nei piani del centro commerciale paladino della sostenibilità si passa nell’atrio attrezzato con piastrelle piezoelettriche.
Figura 4: svariati esempi di applicazioni reali dei piezoelettrici, come l’aeroporto di Abu Dhabi (sinistra), il campo da calcio di Rio de Janeiro (centro) e l’atrio del Green Pea a Torino (destra) (fonti: Khaleej Times, CBS news e Green Pea Facebook).
Il futuro non è mai sembrato così a portata di mano, o in questo caso di piede. Si dice che un viaggio di mille miglia cominci con il primo passo. Noi aggiungiamo che basta farlo sul pavimento giusto.
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