I dispositivi indossabili alimentati a energia solare saranno presto realizzabili grazie alle nuove fotovoltaiche organiche ultrafini

Le capacità rivoluzionarie dell’energia solare sono già state dimostrate senza dubbio. Con il suo crescente successo, insieme alle innovazioni tecnologiche che la arricchiscono ogni giorno e alla crescente domanda di energia rinnovabile, il mercato globale dello smart solar power potrebbe superare i 27 miliardi di dollari entro il 2028 da meno di 13 miliardi di dollari nel 2022.

Le previsioni di crescita indicano un raddoppio del mercato, con innovazioni di alto livello nei materiali fotovoltaici, nello stoccaggio dell’energia, nelle reti intelligenti, nei sistemi di energia solare e molto altro. In particolare, l’energia solare sta lasciando il segno anche nel campo dei dispositivi indossabili, con ricerche ed esperimenti che presto introdurranno dispositivi indossabili alimentati a energia solare. 

Fotovoltaici organici ultra‑flessibili come potenziale fonte di energia per l’elettronica indossabile

Una nuova ricerca pubblicata su Nature Communications, intitolata ‘Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion’, evidenzia la stretchabilità e la leggerezza dei fotovoltaici organici ultra‑flessibili, rendendoli una potente fonte di energia per i dispositivi indossabili elettronici. Tuttavia, la ricerca riconosce che impermeabilizzare queste soluzioni rimane una sfida se si vuole mantenere intatta la loro flessibilità meccanica e conformabilità. 

Ha mostrato come questa sfida possa essere affrontata, posizionando sostanzialmente i fotovoltaici organici come una soluzione superiore. La soluzione prevede l’utilizzo della crescita in situ di uno strato di trasporto dei buchi per rafforzare l’adesione dell’interfaccia tra lo strato attivo e l’anodo. In termini più specifici, la soluzione consente a un elettrodo d’argento di depositarsi sopra gli strati attivi. Il deposito è seguito da una ricottura termica. 

La ricerca rileva che il metodo in situ supera di gran lunga quello convenzionale, dimostrando che lo strato di trasporto dei buchi cresciuto in situ possiede proprietà di adesione termodinamica superiori tra gli strati attivi, portando a migliori proprietà di impermeabilità. 

Nell’esperimento, i fotovoltaici organici spessi tre micrometri, fabbricati con questo metodo, hanno mantenuto l’89% e il 96% delle loro prestazioni originali anche dopo essere stati immersi in acqua per quattro ore e aver subito 300 cicli di stiramento/rilascio al 30% di deformazione sott’acqua, rispettivamente. 

Mentre questi numeri testimoniano la loro flessibilità e le caratteristiche di impermeabilità, i dispositivi hanno superato senza problemi un test di lavaggio in lavatrice nonostante il loro sottile strato di incapsulamento. 

Nel complesso, l’esperimento ha dimostrato come le celle solari possano diventare impermeabili e adatte a operazioni su larga scala. 

Le celle solari potrebbero ora essere integrate funzionalmente nei vestiti, rimanendo efficaci anche dopo essere state esposte alla pioggia o sottoposte a un ciclo di lavaggio. Questa innovazione è quindi particolarmente significativa perché potrebbe essere utile nella creazione di dispositivi elettronici indossabili che possono essere attaccati ai vestiti e rimanere funzionanti in ogni tipo di condizione atmosferica. 

Mentre parlava dell’esperimento e ne illustrava l’utilità potenziale, Kenjiro Fukuda, uno degli autori corrispondenti del documento, ha dichiarato:

“Ciò che abbiamo creato è un metodo che può essere utilizzato in modo più generale. Guardando al futuro, migliorando la stabilità dei dispositivi in altri ambiti, come l’esposizione all’aria, alla luce intensa e allo stress meccanico, prevediamo di sviluppare ulteriormente le nostre celle solari organiche ultrafini affinché possano essere impiegate in dispositivi indossabili davvero pratici.”

Mentre i ricercatori di tutto il mondo sono desiderosi di rendere le celle solari più utilizzabili e realmente significative, alcune aziende stanno investendo massicciamente in R&S per sviluppare soluzioni scalabili che beneficino una popolazione più ampia. 

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#1. Garmin

Garmin ha sviluppato un’intera linea di dispositivi indossabili intelligenti alimentati a energia solare che affermano di estendere la durata della batteria a livelli senza precedenti. La gamma comprende tre smartwatch: Fenix 7 PRO, Instinct 2 e Forerunner 955 Solar. Ha ideato i prodotti, soprattutto per l’uso all’aperto. 

Questi smartwatch possono catturare l’energia solare anche quando il quadrante dell’orologio è parzialmente oscurato. La loro funzione di gestione dell’energia consente all’utente di personalizzare e regolare l’uso dell’energia in base alle necessità.  

Per fornire dati specifici, l’orologio può gestire spedizioni all’aperto per fino a due mesi senza necessità di fonti di energia aggiuntive. Inoltre, la soluzione è ecologica poiché produce il 59% in meno di emissioni di carbonio rispetto ad altri orologi. 

Il Fenix 7 Pro, ad esempio, utilizza pannelli solari ultra‑trasparenti. Il suo design elegante può ottimizzare l’assorbimento della luce solare. Instinct 2 è uno smartwatch GPS alimentato a energia solare. Il Forerunner 955 è progettato specificamente per la corsa. 

Garmin ha raggiunto numerosi traguardi tecnologici nella costruzione delle sue soluzioni. Ad esempio, il suo sistema power glass ha radicalmente cambiato il modo in cui la tecnologia dei pannelli solari viene utilizzata. Ha sostituito i pannelli solari convenzionali con una lente di vetro super‑trasparente che integra micro‑cellule solari conduttive. Il pannello di vetro è ultra‑sottile, meno di mezzo millimetro. 

In una dimostrazione di capacità tecnologica, il pannello non solo è in grado di catturare efficacemente la fotoelettricità, ma incorpora anche la tecnologia di visualizzazione Memory‑in‑piece per creare uno schermo chiaro e leggibile. Alta chiarezza e basso consumo energetico, anche sotto luce diretta, lo rendono di classe superiore. 

Il 21 febbraio 2024, Garmin® Ltd. ha annunciato i suoi risultati per il quarto trimestre conclusosi il 30 dicembre 2023. L’azienda ha registrato un fatturato consolidato di $5.23 miliardi, un aumento dell’8% rispetto all’anno precedente. 

Ha registrato un margine lordo del 57.5%, rispetto al 57.7% dell’anno precedente, e un margine operativo del 20.9%, rispetto al 21.1% dell’anno precedente. L’utile operativo è stato di $1.09 miliardi, un aumento del 6% rispetto all’anno precedente.

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#2. Tommy Hilfiger

Per Tommy Hilfiger, il marchio di moda e abbigliamento riconosciuto a livello globale, i dispositivi indossabili alimentati a energia solare non sono una novità, avendo introdotto quasi un decennio prima, nel 2014, una linea di giacche da campo con pannelli solari. Il lavoro è stato realizzato con l’aiuto di Pvillion, un produttore di solare. La giacca era dotata di pannelli solari impermeabili che fungevano da fodere posteriori. Questi pannelli erano progettati per caricare dispositivi tramite cavi integrati e porte USB. 

Al momento del lancio, la giacca era venduta a $600. La giacca progettata da Tommy Hilfiger, in collaborazione con ‘Pvillion’, ha servito da ispirazione. Sette anni dopo il lancio, nel 2021, i ricercatori di design e fisica dell’Università di Aalto in Finlandia hanno creato un marchio di abbigliamento con pannelli solari nascosti. 

Il progetto, noto come Sun‑Powered Textiles, ha portato allo sviluppo di un prodotto autonomo dal punto di vista energetico che poteva caricare dispositivi indossabili – sensori che misurano umidità o temperatura – senza alterare l’aspetto e la sensazione del capo.

Mentre illustravano l’unicità della loro innovazione, la ricercatrice di design dell’Università di Aalto, Elina Ilen, ha dichiarato:

“Abbiamo realizzato un caso dimostrativo, una giacca, in cui l’energia luminosa viene utilizzata per alimentare sensori integrati di umidità e temperatura, pensando all’utente di abbigliamento da lavoro, che entra ed esce e svolge compiti fisici quotidianamente.” 

Queste innovazioni, sia da parte di Tommy Hilfiger sia dell’Università di Aalto, sono esempi di come i nostri vestiti potrebbero avere pannelli solari in modo discreto e facile da usare. 

PVH Corp. (PVH ), l’entità che possiede il marchio Tommy Hilfiger, ha riportato il fatturato del quarto trimestre 2023 e dell’intero anno il 1 aprile 2024. Il fatturato dell’intero anno è aumentato del 2% a $9.218 miliardi rispetto al periodo dell’anno precedente, mentre il fatturato del quarto trimestre 2023 di $2.490 miliardi è rimasto stabile rispetto al periodo dell’anno precedente. 

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#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

Ad agosto 2022, il noto marchio di orologi e gioielli Skagen ha lanciato la sua collezione sostenibile, Grenen Solar. Il suo design includeva un movimento solare giapponese a 3 lancette per una cronometria precisa. Prometteva anche una riserva di carica di sei mesi. Grazie al suo movimento alimentato a energia solare, la persona che lo indossa può caricare l’orologio in qualsiasi luce, naturale o artificiale. 

Una delle peculiarità di Grenen Solar era il suo impegno a mantenere la sostenibilità al centro della sua esperienza di innovazione. E la sostenibilità non si limitava solo all’uso dell’energia solare. Il lancio del prodotto era, infatti, in linea con la visione e l’impegno dell’azienda di rendere i suoi orologi al 100% sostenibili nel prossimo futuro. A tal fine, il 50% dell’acciaio utilizzato nell’orologio era acciaio inossidabile riciclato. Inoltre, l’intera collezione comprendeva cinque stili in una cassa da 37 mm a un prezzo al dettaglio di $195. 

Nel gennaio 2012, Skagen è stata venduta al Fossil Group in una transazione da $237 milioni. Il 13 marzo 2024, il Fossil Group ha pubblicato il suo rapporto annuale per l’anno fiscale 2023. Nel 2023, l’azienda ha registrato vendite nette superiori a $1.4 miliardi, in calo rispetto al 2022, quando aveva registrato vendite nette di $1.68 miliardi.

Nel complesso, i prodotti e le soluzioni sopra citati dimostrano chiaramente che i dispositivi indossabili alimentati a energia solare non sono una novità. Tuttavia, come abbiamo mostrato all’inizio, l’innovazione intorno a questo tema è in continua evoluzione. Essa dimostra la vitalità e il valore delle fonti di energia rinnovabile e il loro potenziale di sostenibilità. Diverse altre innovazioni interessanti sono in corso, e ne esamineremo alcune per avere un’idea di come sarà il futuro.

Dispositivi indossabili alimentati a energia solare: cosa riserva il futuro

Nel 2017, i ricercatori hanno presentato il design di un braccialetto intelligente indossabile che utilizzava pannelli fotovoltaici flessibili a film sottile, di piccole dimensioni, come fonte di energia, segnando un significativo avanzamento nei sottosistemi di raccolta dell’energia solare. L’obiettivo era massimizzare l’efficienza di conversione energetica e realizzare un sistema indossabile wireless auto‑sostenibile. 

Sfruttando un film di poliammide per l’integrazione dell’intero sistema, la tecnologia si è dimostrata vantaggiosa per il monitoraggio a lungo termine di pazienti o anziani in ambito sanitario. I risultati sono stati promettenti, poiché un singolo pannello solare flessibile poteva raccogliere fino a 16 megawatt di potenza all’esterno e 0.21 megawatt all’interno. Impressionante, i dati raccolti dal dispositivo potevano essere trasferiti via Bluetooth. 

La ricerca continua in ambito sanitario ha portato allo sviluppo di un biosensore indossabile alimentato a energia solare, privo di batteria, che poteva sfruttare il potenziale sottoutilizzato dei biomarcatori del sudore. Il risultato della ricerca è stato il LumiStat, un indossabile solare multifunzionale capace di effettuare induzione autonoma del sudore, campionamento microfluidico dinamico del sudore, monitoraggio multiplex di biomarcatori del sudore e trasmissione wireless dei dati, una svolta nella tecnologia di monitoraggio della salute non invasiva. 

Essere alimentato a energia solare lo ha reso capace di prestazioni notevoli, consentendo un funzionamento continuo per più di 12 ore in diverse condizioni di luce. I ricercatori hanno sottoposto LumiStat a test rigorosi, inclusi monitoraggi multimodali di un’intera giornata di attività dei biomarcatori del sudore. La soluzione ha funzionato costantemente in ambienti di illuminazione e attività fisica diversi, con il consumo energetico adattato intelligentemente all’illuminazione disponibile, garantendo misurazioni continue dei sensori. 

Un rapporto di ricerca pubblicato dall’Università Nottingham Trent ha discusso lo sviluppo di tessuti incorporati con più di mille minuscoli pannelli solari. Questi pannelli solari erano in grado di caricare smartwatch e telefoni cellulari. Insieme, potevano catturare 400 milliwatt (watt) di energia elettrica dal sole. 

Il tessuto era adatto per l’abbigliamento quotidiano e poteva essere lavato in lavatrice a 40 °C insieme ad altri capi. Misurando solo cinque millimetri di lunghezza e 1.5 millimetri di larghezza, i pannelli solari erano incorporati in una resina polimerica impermeabile. Anche il tessitore non poteva sentirli. 

Secondo il Dr Hughes‑Riley del gruppo di ricerca Advanced Textiles Research Group (ATRG) dell’università:

“Questo prototipo offre uno sguardo entusiasmante sul potenziale futuro degli e‑tessuti. Fino ad ora, pochissime persone hanno considerato che i loro capi d’abbigliamento o prodotti tessili potessero essere utilizzati per generare elettricità. Il materiale che abbiamo sviluppato appare e si comporta come qualsiasi tessuto ordinario, poiché può essere strizzato e lavato in lavatrice.”

Il materiale, che misura 51 cm per 27 cm, era sia traspirante che chimicamente stabile. Presentava celle solari al silicio. Questa configurazione consentiva al materiale di generare una potenza di 335.3 watt in luce solare al 0.86, con la capacità di generare fino a 394 watt quando l’intensità della luce solare raggiungeva 1.0.

È evidente che, giorno dopo giorno, sempre più ricerche diventano disponibili al pubblico, mostrando il potenziale della tecnologia indossabile alimentata a energia solare. È davvero rivoluzionaria e cambia il paradigma. Poiché le soluzioni sono destinate a rimanere attaccate ai nostri corpi in ogni momento, cambiano il modo in cui interagiamo con la tecnologia. Eliminano la necessità di intermediari di energia come le stazioni di ricarica. Aumentano la nostra mobilità e la capacità di esplorare di più, preoccupandoci meno di come mantenere in funzione i nostri sistemi.