Il calore può generare energia elettrica direttamente, cioè senza vapore o turbine? Un fenomeno fisico che può essere utilizzato per convertire il calore direttamente in elettricità sta attualmente suscitando un crescente interesse in Europa e negli Stati Uniti. Finora, i moduli termoelettrici necessari a questo scopo erano per lo più costituiti dal costoso semiconduttore tellururo di bismuto. Con rendimenti bassi, compresi tra il 3 e l’8%, vengono utilizzati solo per fornire elettricità a insediamenti remoti privi di connessione alla rete o nelle sonde spaziali. Ma cosa succederebbe se il calore inutilizzato generato nell’industria, nei sistemi di raffreddamento degli edifici, nei motori dei veicoli o negli impianti geotermici potesse essere utilizzato come fonte di energia senza emissioni per produrre elettricità?

Le soluzioni tecniche per generare elettricità dal calore si basano sul cosiddetto effetto Seebeck. Questo crea una tensione elettrica in un conduttore elettrico quando c’è una differenza di temperatura tra due punti di contatto separati. Le correnti di diffusione termica degli elettroni sono responsabili di questo fenomeno. All’estremità più calda del modulo, gli elettroni hanno una maggiore mobilità rispetto all’estremità fredda. Poiché possono distribuirsi meglio, la densità di elettroni diminuisce rispetto all’estremità fredda. A causa di questa distribuzione non uniforme, si crea una tensione elettrica che dura fino a quando la differenza di temperatura non viene compensata.

Nelle strutture a stato solido in silicio, tuttavia, questa differenza di temperatura essenziale viene compensata troppo rapidamente dalla buona conducibilità termica del semiconduttore. Per questo motivo, il silicio è stato finora poco adatto alla costruzione di elementi termoelettrici. Con i nanofili dello stesso materiale, tuttavia, la situazione cambia radicalmente. Le vibrazioni del reticolo nelle piccole strutture impediscono agli elettroni di trasportare il calore quasi senza ostacoli. Ciò riduce significativamente la conduttività termica. I nanofili diventano efficienti quasi quanto il materiale termoelettrico tellururo di bismuto.

I ricercatori della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa hanno sviluppato chip di un centimetro quadrato con nanofili di silicio orizzontali. Se un’area di un metro quadrato viene formata con questi chip ed esposta al calore tipico dei liquidi utilizzati a livello industriale, ai gas di scarico dei motori o alle temperature dei pozzi geotermici, queste centrali elettriche in miniatura possono generare dieci kilowatt di elettricità, quanto un moderno impianto fotovoltaico di 40 metri quadrati. Una tecnologia del futuro: ci vorranno sicuramente diversi anni prima che gli elementi termoelettrici in silicio vengano utilizzati per convertire in elettricità il calore di scarto delle centrali elettriche, ad esempio. Ma non appena saranno disponibili materiali più efficienti, la generazione di elettricità dal calore della radiazione solare potrebbe essere un’alternativa ai moduli fotovoltaici utilizzati oggi.