Materiali e tecnologie intelligenti – il futuro di oggi
I materiali intelligenti hanno la capacità di adattarsi ai cambiamenti ambientali senza l’intervento umano, di ricordarsi della propria forma o addirittura di autoripararsi. Non solo semplificano la nostra vita, ma risolvono anche il problema della scarsità di materie prime per il futuro.
Gli smart material alla prima corsa di Formula E in Svizzera
In tutto il mondo fanno la ricerche sulla mobilità elettrica. Per dimostrare la crescente rilevanza di questo tema, a giugno di quest’anno è stata organizzata una gara di Formula E nella città di Zurigo. In questa occasione, esperti del mondo dell’economia e della ricerca hanno presentato i veicoli del futuro: le auto ibride e le auto elettriche.
Ma come fanno le auto dotate di motore elettrico a raggiungere una velocità così elevata? La chiave del successo del passaggio dalla semplice mobilità elettrica alla formula E risiede negli accumulatori agli ioni di litio. Queste batterie consentono di ridurre l’inquinamento rispetto ai veicoli a benzina e diesel mantenendo così una buona qualità dell’aria. Grazie allo sviluppo di batterie ancora più efficienti e rispettose dell’ambiente, presto le nostre strade saranno dominate dai veicoli elettrici.
I materiali intelligenti sostengono il mercato delle auto elettriche
Il 72 per cento di tutte le auto sarà elettrico entro il 2030.
La crescita maggiore è attesa per i veicoli esclusivamente elettrici.
VM = motore a combustione interna (incluso start/stop)
MHEV = veicolo mild hybrid (48 volt, recupero di ̈energia)
HEV = veicolo full hybrid (start/stop, recupero ̈di energia, regime minimo e funzione «Sailing», modalità elettrica)
PHEV = veicolo ibrido plug-in (come full hybrid con caricabatteria integrato)
EV = veicolo elettrico
Fonte: RobecoSAM
Accumulatore di energia prodotto con materiali intelligenti
Nelle auto da corsa di Formula E accumulatori agli ioni di litio da 200 chili consentono di raggiungere un’accelerazione da 0 a 100 chilometri all’ora in 2,9 secondi. Le auto da corsa possono raggiungere una velocità massima di 225 chilometri orari. Queste batterie a elevate prestazioni sono il risultato di una ricerca decennale sul litio, nonché un importante esempio di accumulo di energia con diversi materiali intelligenti.
Struttura di una cella di una batteria agli ioni di litio realizzata con smart material
Ogni cella di una batteria agli ioni di litio è costituita da un catodo e un anodo, un separatore e un elettrolita Per l’anodo si utilizza spesso la grafite. Entrambi gli elettrodi possono immagazzinare ioni di litio a livello di rete.
Fonte: Physik Journal 13 (2014) n. 10
La ricerca di migliori accumulatori di energia, più potenti e più piccoli è tutt’altro che conclusa. Anodi più efficienti aumenteranno la durata e la capacità di accumulo d’energia, riducendo contemporaneamente i tempi di ricarica, grazie all’impiego di nuovi materiali intelligenti. Questo esempio dimostra che il processo di sviluppo nella microstruttura dei materiali non ha limiti.
La scarsità di risorse favorisce l'impiego di smart material
Quanto sperimentato in laboratorio deve essere tuttavia ancora collaudato su ampia scala nell’industria elettrica. L’accesso limitato o difficoltoso alle materie prime ci pone di fronte a nuove sfide. L’instabilità politica della Repubblica democratica del Congo, che rende difficoltose le relazioni economiche, è un esempio nel caso del cobalto, un elemento importante per le batterie agli ioni di litio.
Gli esperti ritengono che le sostanze necessarie per la costruzione delle batterie, come il litio o il cobalto, per il momento saranno sufficienti. Ciò nondimeno, tentativi di sviluppare metodi di estrazione più efficienti e riciclare le batterie usate sono in corso. Lo sviluppo di tecnologie di processi più efficienti nell’ambito dell’estrazione e della lavorazione delle materie prime delle batterie così come la ricerca di nuovi materiali adeguati sono quindi di grande interesse economico.
La stampante 3D può attingere a un massimo di 100 materiali diversi, che possono essere modificati nella forma e nel tipo.
I materiali intelligenti richiedono l’impiego di tecnologie intelligenti
Tra i materiali intelligenti non vi sono solo le batterie agli ioni di litio, che ci permettono di guidare auto più silenziose e più rispettose dell’ambiente e di stare più a lungo al telefono. I vetri od oggetti oscuranti e termoregolanti in grado di modificare forma e dimensioni o di sfruttare la propria capacità di memoria sono ulteriori esempi del mondo degli smart material. Tuttavia, senza l’impiego delle opportune tecnologie, come software d’avanguardia, robot e altri macchinari altamente sensibili, lo sviluppo di nuovi materiali intelligenti e il loro uso pratico sarebbero impensabili.
Le tecnologie intelligenti sono utilizzabili in diversi settori
Le stampanti 3D sono utilizzate ad esempio nell’industria già da alcuni anni. L’oggetto da realizzare viene scansionato e trasferito in un computer, affinché i progettisti lo possano costruire. La stampante può attingere a un massimo di 100 materiali diversi, che vengono applicati in sottili strati durante la stampa e, secondo le necessità, possono essere modificati nella forma e nel tipo.
Medicina, aviazione, industria automobilistica e architettura non possono più fare a meno delle stampanti 3D. Indipendentemente dalle differenze costruttive tra le varie stampanti tridimensionali, il risultato resta lo stesso – un prodotto 3D efficiente e pronto per l’uso. La lavorazione precisa dei materiali consente di produrre non solo a costi minori ma anche a bassa intensità di risorse, e questo accresce ulteriormente la domanda di stampanti 3D.
