Energia dai batteri per elettronica senza batterie

Negli ultimi anni, c’è stata un’esplosione di dispositivi elettronici interconnessi, dall’elettronica consumer alle applicazioni industriali, con l’obiettivo comune di migliorare la qualità della vita. Tuttavia, questa crescita solleva serie preoccupazioni ambientali, soprattutto per quanto riguarda le batterie. La maggior parte di esse ha un numero limitato di cicli di carica-scarica, comportando sprechi di risorse e costi significativi, specialmente considerando il grande numero di dispositivi installati in luoghi di difficile accesso.

Una strategia per ridurre l’impatto ambientale è l’adozione di soluzioni di immagazzinamento energetico alternative e sostenibili, come i sistemi “battery-free” che sfruttano l’energia dall’ambiente attraverso tecniche di Energy Harvesting. 

Tra le fonti di energia sostenibile il team composto dal Prof. Davide Brunelli, Maria Doglioni (Ph.D. Student) e il Dott. Matteo Nardello (RTD A), sta esplorando le Plant Microbial Fuel Cells (PMFC), interessanti per il basso costo e il minimo impatto ambientale poichè richiedono solo terreno fertile, una pianta e due terminali conduttivi ecocompatibili, noti come elettrodi, (come mostrato nell’immagine in calce: Rappresentazione schematica di una PMFC)

Le PMFC utilizzano batteri naturalmente presenti nel suolo per estrarre energia, formando un biofilm sull’anodo che consuma materia organica, liberando elettroni. Questi fluiscono verso il catodo attraverso un circuito esterno, generando energia che viene raccolta in un condensatore. La presenza di una pianta alimenta i microbi elettro-attivi, mantenendo attiva la colonia batterica. Una volta stabilizzata, una PMFC richiede minima manutenzione e può produrre energia in modo continuo. Anche una piccola PMFC da un litro può generare circa 10 mW di potenza, adatta per sensori wireless o telecamere intelligenti nell’Internet of Things.

Questa tecnologia promette un’energia sostenibile, affrontando le problematiche legate alle batterie, tuttavia ci sono ancora sfide da affrontare, come la stabilità e l’invecchiamento delle PMFC, che richiedono ulteriori sviluppi per renderle una soluzione pratica e affidabile nel lungo termine.

Per ridurre il divario fra potenza richiesta dall’elettronica battery-free e quella prodotta dalle PMFC, il Team ha delineato un duplice percorso:

• Sul fronte dell’elettronica battery-free, sta progettando circuiti ultra-low power per aumentare l’autonomia dei sensori e dei processori digitali. Sta inoltre sviluppando soluzioni di elaborazione intermittente che consentono ai dispositivi di interrompere e riprendere istantaneamente il funzionamento, anche in assenza di alimentazione. Il Team ha incluso un meccanismo di accumulo su condensatori per massimizzare l’autonomia.
• Sui generatori PMFC, per aumentare l’energia utilizzabile, sta esplorando tecniche di combinazione di più celle serie-parallelo, simili a un “pacco-batteria” ed un controllo continuo del punto ottimale di funzionamento. 

La difficoltà sta nell’adattare il consumo richiesto alle capacità di un “sistema vivente” che genera energia, e che quindi a volte necessita di “momenti di riposo”. Infatti il Team sta anche integrando misure elettrochimiche, come la spettroscopia di impedenza, per stimare lo stato di salute sia della colonia batterica che della pianta inserita nella PMFC, responsabile del sostentamento della colonia.

Questo impegno verso un futuro sostenibile è volto a perseguire soluzioni innovative per l’energia nei dispositivi elettronici e renderli battery-free. Attraverso lo sviluppo di circuiti ultra-low power, l’implementazione di strategie avanzate per l’elaborazione intermittente e l’ottimizzazione delle PMFC, il Team sta aprendo la strada a un nuovo paradigma energetico nel mondo dei sensori e dei sistemi elettronici, che elimina l’uso di batterie inquinanti, e contribuisce così a un futuro più verde e prospero.