Gli ultimi progressi nel campo dei condensatori dielettrici
Quando servono dispositivi di accumulo che immagazzinino e rilascino energia nel giro di pochi microsecondi, le tradizionali batterie sono “fuori gioco”. Al loro posto si impiegano i condensatori o capacitor, dispositivi in grado di immagazzinare cariche elettriche in modo controllato. Basti pensare ai pacemaker, una delle tante destinazioni d’uso dei condensatori moderni. Questi strumenti salva vita hanno bisogno di sistemi che si carichino e scarichino rapidamente fornendo al cuore una carica elettrica sufficientemente elevata per garantire la normale ripresa del battito. E devono poter durare a lungo (in termini di cili di carica/scarica) per non costringere il paziente a sostituire il pacemaker dopo poco tempo.
Il più grande punto debole di questa tecnologia è che la carica accumulata è legata anche alle dimensioni delle piastre metalliche interne. Maggiore è la superficie dell’armatura, maggiore sarà l’energia immagazzinata. Non solo. I capacitor presentano una corrente di dispersione, ovvero una piccola quantità di corrente che scorre attraverso il materiale dielettrico che separa le piastre, anche quando non è applicata alcuna tensione. Nel corso del tempo, questa corrente di dispersione può far sì che il condensatore perda l’energia immagazzinata.
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Per aumentare le prestazioni d’accumulo, un gruppo di ricercatori dell’Università di Twente, nei Paesi Bassi, ha messo a punto una nuova strategia di progettazione. Il team guidato dallo scienziato Minh Duc Nguyen ha creato un capacitor combinando strati sottili di materiali di tipo paraelettrico con strati di ferroelettrici “relaxor”. Qust’ultimi sono materiali con costanti dielettriche elevate.
Giocando con questi strati il gruppo è riuscito ad aumentare l’efficienza dei loro condensatori oltre il 90%. Ciò significa una perdita inferiore al 10% della carica elettrica utilizzata per la ricarica, due volte inferiore rispetto ai modelli tradizionali. I test hanno mostrato anche un funzionamento in un ampio intervallo di temperature compreso tra 25°C e 200°C e una capacità di caricarsi e scaricarsi fino a 10 miliardi di volte. Abbastanza per farlo una volta al secondo per più di 300 anni.
Ma, elemento ancora più importante, il lavoro del team ha permesso di elaborare delle regole di ottimizzazione per la combinazione dei materiali che potrebbero essere utili a migliorare altri sistemi multistrato aumentare ulteriormente la densità di accumulo di energia dei condensatori. Per una tecnologia ancora migliore, scrivono gli scienziati. La ricerca è stata pubblicata su Advanced Materials (testo in inglese).