A dieci metri sotto il Mar Cinese Meridionale, vicino alle isole Weizhou, un robot è rimasto per due ore con dei moduli fotovoltaici montati addosso. Quando il test è terminato, quelle celle avevano prodotto 324 milliwattora di energia e caricato batterie agli ioni di litio. Per una casa è una briciola. Per strumenti che devono restare sott’acqua lontano da una presa, comincia a essere molto più interessante.
Il risultato arriva da uno studio pubblicato su Joule da Simin Ma e colleghi, coordinati da Wen-Hua Zhang della Yunnan University. Il gruppo ha sviluppato celle solari in perovskite pensate apposta per lavorare sott’acqua e le ha portate fino a una profondità che, negli esperimenti precedenti citati dagli autori, si fermava generalmente entro i due metri.
A dieci metri la luce è già un’altra cosa
Il problema comincia appena si scende. L’acqua fa da filtro: la luce perde rapidamente intensità e lo spettro disponibile cambia. Una normale cella fotovoltaica progettata per lavorare in superficie si ritrova quindi con un menu decisamente più corto.
I ricercatori hanno costruito in laboratorio un sistema capace di simulare l’illuminazione a diverse profondità e hanno lavorato su perovskiti ad ampio bandgap, più adatte a utilizzare quella parte della luce, soprattutto tra il blu e l’arancione, che riesce ancora ad arrivare sott’acqua. In pratica hanno adattato la cella alla luce disponibile, invece di sperare che il mare collaborasse.
Le perovskiti sono materiali su cui la ricerca fotovoltaica lavora da anni perché permettono di modificare con una certa libertà le proprietà ottiche del dispositivo. Qui questa possibilità è stata sfruttata proprio per inseguire lo spettro luminoso che sopravvive a dieci metri di profondità.
Le celle hanno resistito per 1.160 ore nei test simulati
La parte più vistosa del lavoro riguarda la durata. Dopo 300 giorni conservate in atmosfera di azoto, le celle mantenevano circa il 96% dell’efficienza iniziale. Sottoposte invece a condizioni luminose che simulavano dieci metri di profondità, hanno mostrato una degradazione quasi nulla dopo 1.160 ore.
Da questi test i ricercatori ricavano una possibile vita operativa di circa cinque anni e mezzo. Qui però conviene tenere i piedi sulla barca: quei cinque anni e mezzo sono una stima, non il risultato di un modulo lasciato sul fondo del mare dal 2021 a oggi. La prova in ambiente reale è durata due ore. È un risultato sperimentale importante, con un confine piuttosto chiaro intorno.
Proprio il passaggio dal laboratorio al mare è comunque uno degli elementi più interessanti dello studio diffuso da Cell Press. Il gruppo è riuscito a passare dalle piccole celle sperimentali a moduli di dimensioni maggiori e poi a montarli su sistemi robotici immersi realmente nel Mar Cinese Meridionale.
Per sensori e robot subacquei, qualche milliwatt può fare parecchio
Sott’acqua non serve necessariamente alimentare qualcosa di enorme. Sensori ambientali, telecamere, sistemi di comunicazione, strumenti per l’acquacoltura e piccoli robot lavorano spesso con batterie che, prima o poi, devono essere recuperate, ricaricate o sostituite. Ed è proprio qui che una fonte di energia disponibile direttamente sul posto diventa interessante.
Durante il test nel Mar Cinese Meridionale, i moduli hanno prodotto 324 mWh in due ore e sono riusciti a ricaricare batterie agli ioni di litio. Una quantità modesta se la confrontiamo con i consumi sulla terraferma, molto meno modesta quando il dispositivo da alimentare si trova a dieci metri sotto il livello del mare. L’obiettivo è allungarne l’autonomia e ridurre gli interventi necessari per riportarlo in superficie.
Le applicazioni immaginate dai ricercatori riguardano proprio questo tipo di strumenti: reti di sensori per monitorare l’ambiente marino, apparecchiature autonome, telecamere e robot che potrebbero continuare a lavorare sfruttando la luce che riesce ancora a penetrare nell’acqua. Il gruppo vuole ora verificare fino a quale profondità possa spingersi il sistema e migliorare ulteriormente efficienza e stabilità.
Dieci metri, intanto, sono già abbastanza per togliere il fotovoltaico subacqueo dalla categoria delle idee da laboratorio puro. Il pannello sul tetto resta al suo posto; quello montato su un robot, invece, ha appena cominciato a scendere.