Produzione additiva
Celle a Combustibile Fungine Create con l’Aiuto della Stampa 3D
Le batterie sono la forza trainante del nostro presente e futuro tecnologicamente avanzati. Dopotutto, alimentano tutto, dai telecomandi, fotocamere, telefoni, laptop e veicoli elettrici alle attrezzature, robotica e stoccaggio di energia.
Alla luce dei molteplici casi d’uso delle batterie, la sua dimensione di mercato è cresciuta fino a raggiungere 134,62 miliardi di dollari nel 2024 e si prevede che si espanda ulteriormente con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 16,4 % entro il 2030.
Con la domanda di batterie in costante crescita, l’attenzione ora è rivolta al miglioramento della tecnologia per offrire una maggiore densità energetica, migliore sicurezza, durata più lunga e tempi di ricarica ridotti.
Oltre a migliorare le prestazioni delle batterie, ora c’è una maggiore attenzione anche alla riduzione del loro impatto ambientale. Ciò è dovuto all’aumento dei rifiuti elettronici, che si stima raggiungeranno 74,7 Mt entro la fine di questo decennio a causa dello smaltimento di apparecchiature con componenti che non si degradano facilmente o non sono facilmente riciclabili.
Allo stesso tempo, i materiali non rinnovabili stanno rapidamente diminuendo, creando un’urgente necessità di nuove fonti di energia sostenibili che possano essere processate in modo efficiente e abbiano un impatto minimo sull’ambiente.
Per soddisfare l’esigenza rapida di sviluppare elettronica verde che utilizzi materiali non tossici, più ecologici e rinnovabili nei loro componenti, i ricercatori di Empa hanno creato una batteria fungina biodegradabile che, invece di essere ricaricata, necessita di nutrimento. Questa batteria vivente, stampata in 3D, potrebbe fornire energia a sensori utilizzati in agricoltura o ricerca in regioni remote. Una volta che questa batteria fungina ha svolto il suo compito, si digerisce dall’interno.
Queste bio-batterie o celle a combustibile microbiche (MFC) sfruttano il metabolismo redox dei microrganismi per generare energia.
I microrganismi utilizzati in questi tipi di celle a combustibile metabolizzano materia organica come acque reflue o zuccheri e, in assenza di tali sostanze, utilizzano energia luminosa e fotosintesi. Una MFC è composta da un anodo e un catodo, separati da una membrana a scambio protonico (PEM) oppure lasciati aperti in un dispositivo a singolo compartimento.
Oltre ai dispositivi di telerilevamento e monitoraggio ambientale, le MFC suscitano interesse per applicazioni come l’elettronica indossabile e i dispositivi diagnostici biomedicali. Sono particolarmente vantaggiose in applicazioni autonome che non richiedono l’accesso alla rete elettrica principale.
Batteriche, algali e archeali sono alcuni tipi di MFC. Per quanto riguarda le MFC fungine, sono stati studiati i ceppi di lievito e funghi di marciume bianco, ma non erano stati combinati fino a ora.
Funghi: Un’Area di Interesse in Crescita
Il focus di questo progetto di ricerca triennale è sui funghi, organismi eucariotici, il che significa che le loro cellule possiedono organelli delimitati da membrane e nuclei ben definiti. I funghi non rientrano nel regno vegetale e si distinguono anche da tutti gli altri organismi viventi.
I funghi sono i funghi più facilmente riconoscibili. Altri tipi includono lieviti, ruggini, muffe e muffe. I funghi sono in realtà ovunque: nel suolo, nell’aria, nei laghi, nei mari, nelle piante, negli animali, negli alimenti e nel corpo umano. Insieme ai batteri, aiutano a decomporre la materia organica e a rilasciare ossigeno, carbonio, fosforo e azoto nel suolo e nell’atmosfera.
Nella nostra vita quotidiana, sono comunemente usati per produrre pane, vino, birra e alcuni formaggi, oltre a creare alimenti ad alto contenuto proteico. I funghi contribuiscono in modo importante alla gestione delle malattie ma, allo stesso tempo, sono responsabili di patogeni che causano malattie.
Gli studi sui funghi ci hanno aiutato ad acquisire conoscenze fondamentali sulla biologia e continuano a essere un’area di interesse per lo studio della biologia cellulare e molecolare, dell’ingegneria genetica e di altre discipline di base della biologia.
Nel campo medico, i funghi magici sono di particolare interesse perché contengono psilocibina, un alcaloide psichedelico di origine naturale che ha effetti allucinogeni. Come abbiamo condiviso nel nostro recente articolo, un’esplosione di ricerche sta esplorando l’uso della psilocibina per trattare disturbi mentali e psicologici.
La capacità dei funghi di trasformare materiali organici in prodotti utili ha suscitato molto interesse anche nella biotecnologia fungina, dove possono contribuire a far progredire la transizione verso un’economia circolare basata sul bio.
Offrendo soluzioni per garantire, stabilizzare e migliorare l’approvvigionamento alimentare per la crescente popolazione umana riducendo al contempo le emissioni di gas serra, la biotecnologia fungina ha il potenziale di dare un contributo significativo alla mitigazione dei cambiamenti climatici.
Mentre i funghi hanno ricevuto molta attenzione in diversi settori, non si può dire lo stesso per il campo della scienza dei materiali, dove rimangono poco studiati e, naturalmente, sotto-utilizzati, cosa che potrebbe finalmente cambiare ora che i ricercatori usano i funghi per generare elettricità.
L’ultimo studio dimostra lo sviluppo di una batteria fungina funzionante, che, sebbene non produca molta elettricità, è in grado di generare abbastanza energia per alimentare un sensore di temperatura per diversi giorni. Questo tipo di sensori è utilizzato nella ricerca ambientale o nell’industria agricola.
A differenza delle batterie tradizionali, questa batteria fungina è completamente non tossica e biodegradabile, rendendola un’opzione ecologica.
BioBattery: L’Elettronica Verde è Qui
La batteria a base organica dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali, un’istituzione di ricerca orientata all’applicazione della scienza e tecnologia dei materiali, ha facilitato il metabolismo fungino e la generazione di energia associata.
Fonte: ACS
La cellula vivente qui è una cella a combustibile microbica. I microrganismi, come qualsiasi organismo vivente, convertono i nutrienti in energia, e le celle a combustibile microbiche (MFC) sfruttano questo metabolismo per creare energia e poi catturare parte di essa sotto forma di elettricità.
Le celle a combustibile microbiche sono state per lo più alimentate da batteri fino ad ora, quando, per la prima volta, i ricercatori di Empa hanno “combinato due tipi di funghi” il cui metabolismo funziona molto bene insieme “per creare una cella a combustibile funzionante”.
I ricercatori hanno utilizzato un fungo lievitante sul lato anodo, dove il suo metabolismo rilascia elettroni, e un fungo di marciume bianco è stato impiegato sul lato catodo, dove produce un enzima speciale che consente la cattura degli elettroni e che viene poi condotto fuori dalla cella.
I ricercatori hanno incorporato i funghi nella batteria come parte integrante della cella fin dall’inizio. Hanno utilizzato la stampa 3D per produrre i componenti della batteria fungina, il che ha loro fornito piena libertà geometrica per stampare dispositivi di forma e configurazione arbitrarie che possono essere integrati senza soluzione di continuità con altri componenti elettronici.
In questo modo, sono stati in grado di strutturare gli elettrodi in modo specifico affinché i microrganismi possano accedere ai nutrienti nel modo più semplice possibile.
Ora, il modo per farlo è stato mescolare le cellule fungine nell’inchiostro di stampa. Questo significa superare la sfida non solo di trovare un materiale in cui i funghi possano crescere bene, ma anche di estrudere l’inchiostro senza uccidere le cellule.
“Naturalmente, vogliamo che sia elettricamente conduttivo e biodegradabile.”
– Gustav Nyström, Capo del laboratorio di Cellulosa e Materiali del Legno
Per renderli elettronicamente conduttivi, il team ha aggiunto carbon black e scaglie di grafite agli inchiostri.
Avendo una vasta esperienza nella stampa 3D di materiali morbidi e bio-based, il team è stato in grado di produrre un inchiostro a base di cellulosa (inchiostri fungini idrogel) adatto al compito. Lo studio ha osservato che l’utilizzo della cellulosa per stampare in 3D elettrodi fungini è un nuovo modo per incanalare l’attività metabolica dei funghi per un potenziale impiego in dispositivi elettrochimici.
La cellulosa è un polimero abbondante, a basso costo, rinnovabile e biodegradabile che è derivato da alghe, batteri, legno e tunicati. È stata effettivamente utilizzata con successo nella realizzazione di vari tipi di elettronica a base organica.
Le cellule fungine potrebbero persino utilizzare la cellulosa come nutriente, il che aiuta a degradare la batteria dopo l’uso. Tuttavia, la loro principale fonte di nutrienti erano zuccheri semplici, che vengono aggiunti successivamente alle celle della batteria.
“È possibile conservare le batterie fungine in stato secco e attivarle sul posto semplicemente aggiungendo acqua e nutrienti.”
– ricercatrice Empa Carolina Reyes, microbiologa qualificata
Secondo lo studio, queste biobatterie possono produrre da 300 a 600 mV per diversi giorni. Collegando quattro batterie in parallelo, un piccolo sensore può essere alimentato per 65 ore.
Il team aveva sviluppato materiali, inchiostri e dispositivi nei loro lavori precedenti per una nuova branca dell’elettronica verde, includendo display, sensori, batterie e supercondensatori. Con questo studio, hanno ampliato le possibilità di quanto ottenuto nei precedenti esperimenti, fornendo dispositivi in grado di immagazzinare energia elettrica e generare energia in un sistema ecologicamente sicuro.
Nella fase successiva, i ricercatori mirano a rendere la batteria fungina più potente e duratura, nonché a rendere il dispositivo completamente stampabile in 3D. Esamineranno anche altri tipi di funghi più adatti allo scopo di fornire elettricità e rendere il loro dispositivo pronto per l’uso in applicazioni pratiche sul campo.
Ora, diamo un’occhiata ad alcuni attori chiave operanti nei mercati delle batterie e della stampa 3D.
1. Proto Labs, Inc. (PRLB )
Un fornitore di servizi di produzione digitale completi, Proto Labs è specializzato nella produzione avanzata e nei servizi di stampa 3D per realizzare parti personalizzate per i propri clienti.
Proto Labs ha iniziato quest’anno espandendo la produzione a servizio completo, che l’azienda definisce “una evoluzione naturale”. Questo si tradurrà in un migliore controllo di qualità e opzioni di prezzo più vantaggiose, concentrandosi sulle certificazioni di settore, consentendo all’azienda di servire i clienti dall’inizio alla fine. Il catalizzatore di questa espansione, Eric Utley, responsabile dell’ingegneria delle applicazioni di stampa 3D presso Proto Labs, è stata l’acquisizione di 3D Hubs nel 2021, che ha ampliato il loro portafoglio di soluzioni.
Con la sostenibilità che diventa una preoccupazione globale pressante e tutti, consumatori, aziende e regolatori, impegnati a ridurre la loro impronta ambientale optando per materiali riciclati, Proto Labs ha inoltre introdotto materiali plastici realizzati con contenuto riciclato nella sua offerta CNC. Questo consente agli utenti di evitare l’uso di materiali vergini per la prototipazione senza costi aggiuntivi.
(PRLB
)
Con una capitalizzazione di mercato di 937,75 milioni di dollari, le azioni di Proto Labs attualmente scambiano a 38,26 dollari, in calo del 2,12 % YTD. Ha un EPS (TTM) di 0,94 e un P/E (TTM) di 40,69.
Per il Q3 del 2024, l’azienda ha riportato un fatturato di 125,6 milioni di dollari, una diminuzione del 3,9 % rispetto al record di fatturato di 130,7 milioni di dollari nello stesso trimestre dell’anno precedente. L’utile netto per il trimestre è stato di 7,2 milioni di dollari. Nel frattempo, il flusso di cassa operativo è stato il più alto dal 2020, prima che Proto Labs acquisisse 3D Hubs.
Gli utili per azione non GAAP del terzo trimestre sono stati 0,47 dollari, mentre l’EPS aggiustato YTD è stato segnalato in crescita di oltre il 10 % su base annua con fatturato stabile. In totale, Protolabs ha servito 22.511 contatti clienti. Il saldo di contanti e investimenti, al 30 settembre 2024, era di 117,6 milioni di dollari.
2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)
La BYD con sede in Cina è principalmente impegnata nella produzione e vendita di attrezzature di trasporto, ma è anche coinvolta nella realizzazione di batterie ricaricabili, prodotti fotovoltaici e dispositivi elettronici per l’uso quotidiano.
Con una capitalizzazione di mercato di 105,57 miliardi di dollari, le azioni di BYD attualmente scambiano a 33,33 dollari, in calo dell’1,99 % YTD. Ha un EPS (TTM) di 1,66 e un P/E (TTM) di 20,08, mentre il rendimento del dividendo è dell’1,31 %.
Secondo gli ultimi dati pubblicati, BYD si posiziona al secondo posto con una quota del 23,19 % nella capacità installata di batterie di potenza in Cina, che ha raggiunto 17,49 GWh. Le installazioni totali di batterie di potenza nel paese ammontavano a 75,4 GWh, con un aumento del 57,3 % su base annua. Per l’intero anno 2024, BYD si è classificata al secondo posto con una quota del 24,74 %, mentre CATL ha mantenuto la sua posizione con una quota del 45,08 %.
Il principale produttore di batterie ricaricabili, BYD offre batterie al litio, batterie NiMH e batterie NCM, che hanno una vasta gamma di utilizzi, inclusi elettronica di consumo, veicoli a nuova energia e stoccaggio di energia. Il punto critico è che l’azienda possiede l’intera catena di approvvigionamento, consentendole di avere un migliore controllo sulla qualità e sui costi.
BYD è ora pronta a lanciare la nuova generazione della batteria Blade per veicoli elettrici quest’anno, che sarà utilizzata nei futuri veicoli dell’azienda. La prima generazione della batteria Blade è stata introdotta da BYD nel 2020, e la sua generazione attuale è usata da BYD per alimentare i suoi veicoli elettrici così come da altri costruttori come Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia e Hyundai.
In confronto alle batterie al litio convenzionali, queste batterie al litio fosfato (LFP) sono più convenienti e hanno aiutato BYD a introdurre modelli di veicoli elettrici a basso costo che hanno spinto la sua crescita. La prossima generazione di batterie Blade sarà ancora più compatta, efficiente, sicura e offrirà una maggiore autonomia.
Per quanto riguarda il settore automobilistico dell’azienda, BYS ha venduto un numero record di veicoli elettrici e ibridi a livello globale lo scorso anno, mentre il suo più grande concorrente, Tesla, ha venduto 4,3 milioni. Il produttore di auto più venduto in Cina ha effettivamente venduto 1,76 milioni di veicoli elettrici puri nel 2024, pur affrontando una forte concorrenza nel mercato interno, spinta da centinaia di miliardi di dollari in sussidi governativi nell’ultimo decennio.
Per quanto riguarda i ricavi dell’azienda, per il Q3 2024, il produttore cinese di veicoli elettrici, che ha smesso di produrre veicoli a motore a benzina nel 2022, ha registrato un aumento dell’11,5 % dell’utile netto, salito a 1,63 miliardi di dollari, mentre il fatturato è aumentato del 24 % su base annua a 28,24 miliardi di dollari.
Conclusione
Le batterie, componente importante dell’elettronica odierna, così come dei veicoli elettrici, delle reti cellulari intuitive e delle missioni nello spazio profondo, stanno guidando la rivoluzione tecnologica. Tuttavia, l’e-waste in rapida crescita e la diminuzione dei materiali non rinnovabili richiedono lo sviluppo di prodotti basati su risorse naturali rinnovabili, che sta diventando l’area di interesse, come abbiamo visto oggi con i ricercatori che si rivolgono a materiali organici come i funghi per costruire batterie.
Fungi, che hanno a lungo arricchito la vita sulla Terra e stanno plasmando il nostro futuro, hanno visto una crescente ondata di interesse grazie al loro ruolo di leader nel riciclo e nella trasformazione dei materiali. Offrono soluzioni per rendere la transizione verde verso un’economia circolare basata sul bio, introducendo nuovi concetti per garantire la salute umana, vegetale e animale.
Mentre i funghi sono stati esplorati e utilizzati in agricoltura, medicina e biotecnologia, l’ultimo studio rappresenta un grande passo avanti nel campo della scienza dei materiali e dell’elettrochimica microbica. Lo fa utilizzando materiali ecologici nella sua costruzione e creando opportunità per stampare in 3D vari elettrodi fungini a base di cellulosa per l’uso nelle celle a combustibile microbiche.
Scoperte come queste affrontano le pressanti sfide ambientali e aprono nuove possibilità per progettare sistemi di stoccaggio energetico ad alte prestazioni basati sul bio, aiutandoci ad avvicinarci a un’economia veramente sostenibile e circolare.
