Portare tecnologie sempre più sofisticate sotto la superficie del mare significa affrontare un problema destinato a diventare centrale per lo sviluppo della Underwater Economy: l’energia.

Sensori, telecamere, sistemi di comunicazione, piattaforme di monitoraggio, robot autonomi e dispositivi dell’Internet of Underwater Things devono essere alimentati per periodi sempre più lunghi. E più queste tecnologie operano lontano dalla costa o in condizioni difficili da raggiungere, più la disponibilità di energia diventa una componente strategica dell’intera infrastruttura subacquea.

Da qui nasce l’interesse per una ricerca che porta il fotovoltaico in un ambiente finora considerato particolarmente complesso per questa tecnologia: dieci metri sotto il livello del mare.

Un gruppo di ricercatori coordinato dalla Yunnan University ha sviluppato celle solari in perovskite progettate per funzionare sott’acqua e le ha sperimentate anche in condizioni reali nel Mar Cinese Meridionale.

Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Joule, non riguarda semplicemente l’immersione di un tradizionale pannello fotovoltaico. Il principio è più sofisticato: progettare una cella capace di utilizzare in maniera efficiente la parte della radiazione solare che riesce realmente a penetrare nell’acqua.

Scendendo sotto la superficie, infatti, lo spettro della luce cambia rapidamente. Una parte delle lunghezze d’onda viene assorbita dall’acqua, mentre alle profondità considerate dalla ricerca rimane prevalentemente disponibile la componente blu-verde, indicativamente compresa tra 400 e 600 nanometri.

I ricercatori hanno quindi sviluppato celle in perovskite a band gap largo, pari a circa 1,96 eV, ottimizzate proprio per questo particolare ambiente luminoso.

Nei test di laboratorio, con condizioni simulate equivalenti alla luce disponibile a circa 10 metri di profondità, le celle hanno raggiunto una efficienza di conversione del 34,71%.

È un dato che va interpretato correttamente. Non significa che un pannello sommerso produca più energia di un normale impianto fotovoltaico terrestre. L’efficienza viene infatti calcolata rispetto alla quantità e alla tipologia di luce che raggiungono effettivamente la cella dopo essere state filtrate dall’acqua.

Il risultato dimostra però quanto possa essere importante progettare tecnologie energetiche partendo direttamente dalle caratteristiche fisiche dell’ambiente subacqueo.

La sperimentazione è poi passata dal laboratorio al mare.

Moduli fotovoltaici con una superficie attiva di circa 115 centimetri quadrati sono stati testati nelle acque presso l’isola di Weizhou, nel Mar Cinese Meridionale, a profondità di 2, 6 e 10 metri.

A 10 metri di profondità, durante due ore di esposizione alla luce solare, il modulo ha fornito energia sufficiente a caricare una batteria agli ioni di litio fino a 324 mWh. A profondità inferiori i valori sono risultati maggiori: 752 mWh a 6 metri e 1.416 mWh a 2 metri.

Sono numeri ancora riferiti a una sperimentazione scientifica e non a una tecnologia industriale pronta per il mercato. Ma il vero interesse della ricerca potrebbe non essere la quantità assoluta di energia prodotta.

La domanda da porsi è un’altra: quanta energia serve realmente a un sensore o a un dispositivo underwater progettato per consumare pochissimo e lavorare autonomamente per mesi o anni?

È qui che il fotovoltaico subacqueo può assumere un significato completamente diverso.

La produzione di energia in mare viene normalmente associata all’eolico offshore, alle energie marine, alle piattaforme energetiche o al fotovoltaico galleggiante. In questo caso emerge invece una logica di energia distribuita direttamente sotto la superficie.

Non grandi impianti destinati ad alimentare la terraferma, quindi, ma piccoli sistemi capaci di produrre energia nel punto stesso in cui viene utilizzata.

Un sensore ambientale, una telecamera per la sorveglianza di un’infrastruttura, un nodo di comunicazione, una stazione scientifica, un sistema per l’acquacoltura, un dispositivo installato lungo un cavo sottomarino o una condotta potrebbero in futuro integrare forme di produzione energetica locale.

Oggi molte di queste tecnologie dipendono ancora da batterie che devono essere periodicamente sostituite o ricaricate oppure da collegamenti energetici provenienti dalla superficie.

Ogni intervento di manutenzione può significare impiego di navi, personale specializzato, mezzi robotici, tempo operativo e costi.

Ridurre la dipendenza da queste operazioni rappresenterebbe quindi un vantaggio significativo per numerose applicazioni della Underwater Economy.

Energia per l’Internet of Underwater Things

La trasformazione digitale del mare sta aumentando rapidamente il numero di dispositivi destinati a operare permanentemente sotto la superficie.

Il futuro dell’ambiente underwater non sarà composto soltanto da grandi piattaforme, AUV e ROV. Sarà sempre più caratterizzato anche da reti distribuite di sensori e piccoli dispositivi capaci di osservare, acquisire dati, comunicare e interagire tra loro.

È la prospettiva dell’Internet of Underwater Things, uno degli ambiti tecnologici più interessanti per lo sviluppo della dimensione subacquea.

Ma qualsiasi rete distribuita ha bisogno di due elementi fondamentali: comunicazioni ed energia.

Negli ultimi anni la ricerca ha compiuto importanti progressi nelle comunicazioni acustiche e ottiche e nell’integrazione tra sistemi subacquei, piattaforme di superficie e collegamenti satellitari.

Parallelamente diventa sempre più importante costruire una vera e propria infrastruttura energetica underwater.

In questo scenario, il fotovoltaico subacqueo potrebbe affiancarsi alle batterie di nuova generazione, ai sistemi di energy harvesting, ai collegamenti cablati e ad altre tecnologie di produzione locale.

Non una soluzione universale, ma uno degli elementi di un futuro energy mix della dimensione subacquea.

Uno degli aspetti più interessanti della ricerca riguarda proprio la stabilità nel tempo.

Nei test di laboratorio, le celle hanno mostrato assenza di degradazione significativa dopo 1.160 ore di funzionamento continuo al punto di massima potenza nelle condizioni simulate corrispondenti a 10 metri di profondità.

I test accelerati di invecchiamento hanno inoltre portato i ricercatori a stimare un valore T80 di circa 48.094 ore, equivalenti a circa 5,49 anni, a una temperatura di 25 °C.

Il parametro T80 indica il periodo nel quale una cella mantiene almeno l’80% delle proprie prestazioni iniziali.

È però importante distinguere i due dati. Le 1.160 ore rappresentano un periodo di funzionamento effettivamente testato in laboratorio, mentre i 5,49 anni sono una proiezione ottenuta attraverso test accelerati e non corrispondono a un dispositivo rimasto operativo per oltre cinque anni in mare.

Ed è proprio questo uno dei passaggi decisivi verso una possibile applicazione industriale.

Per qualsiasi tecnologia destinata alla dimensione subacquea, infatti, non basta produrre energia.

Bisogna resistere nel tempo a pressione, corrosione, infiltrazioni, biofouling, variazioni di temperatura e sollecitazioni meccaniche.

La vera sfida sarà quindi trasformare un risultato scientifico promettente in sistemi affidabili, scalabili e capaci di operare per lunghi periodi senza manutenzione.

La ricerca pubblicata su Joule apre comunque una prospettiva che merita attenzione.

Per molto tempo abbiamo immaginato il fondo del mare come un ambiente nel quale portare energia prodotta altrove.

Oggi comincia a emergere una possibilità diversa: produrre almeno una parte dell’energia direttamente sotto il mare, nel punto in cui viene utilizzata.

È un cambio di prospettiva importante.

La crescita della Underwater Economy porterà infatti alla diffusione di infrastrutture critiche, reti di sensori, robot autonomi, sistemi di comunicazione e piattaforme digitali sempre più complesse.

Per renderle realmente autonome serviranno capacità di calcolo, connessioni affidabili e nuove soluzioni energetiche.

Il fotovoltaico subacqueo potrebbe diventare uno dei tasselli di questa nuova architettura.

Non dobbiamo necessariamente immaginare grandi distese di pannelli sui fondali.

È forse più interessante immaginare migliaia di piccoli dispositivi capaci di produrre localmente una parte dell’energia necessaria per continuare a osservare, comunicare e lavorare sotto il mare.

A dieci metri di profondità, questa possibilità ha appena cominciato a prendere forma.

Roberta Busatto

Giornalista, specializzata in Economia dello Spazio, in Economia del Mare e in Mindfulness - istruttrice MBSR e facilitatrice LEGO® SERIOUS PLAY® .Dal 2004 si occupa di Aerospazio e dal 2011 di Economia del Mare. Dirige Economia dello Spazio Magazine, Economia del Mare Magazine e Space& Blue Magazine, oltre a seguire le relazioni istituzionali ed esterne in questi settori per importanti stakeholder. Ideatrice del Progetto "Space&Blue Made in Italy" con il suo Forum Space&Blue e del Progetto "Blue Forum Italia network".