Secondo due studi pubblicati su Nature Materials, il ghiaccio salato genera una carica elettrica fino a mille volte superiore a quella del ghiaccio puro quando viene piegato. La scoperta apre nuove possibilità per l’energia sostenibile e per la comprensione di fenomeni naturali su ghiacciai e lune ghiacciate come Europa ed Encelado. Circa il 10% della superficie terrestre è coperta da ghiaccio. Da tempo è noto che il ghiaccio può generare elettricità se sottoposto a deformazioni meccaniche, attraverso il cosiddetto effetto flexoelettrico, cioè la capacità di alcuni materiali di polarizzarsi elettricamente quando subiscono curvature o gradienti di deformazione.
Tuttavia, l’intensità di questo fenomeno nel ghiaccio puro è estremamente ridotta: l’ordine di grandezza è di appena 1–10 nanocoulomb per metro, troppo poco per applicazioni pratiche. Il risultato è che, a differenza dell’acqua in movimento, il ghiaccio non è mai stato considerato una fonte energetica utilizzabile.
La svolta: il ruolo del sale
Il team guidato da Xin Wen (Xi’an Jiaotong University e ICN2, Barcellona) ha dimostrato che mescolando acqua e sale e congelandole insieme si ottiene un materiale con proprietà del tutto nuove. Il ghiaccio salato raggiunge infatti valori di 1–10 microcoulomb per metro, ovvero mille volte superiori al ghiaccio puro e un milione di volte maggiori del solo sale.
La spiegazione risiede nei canali di salamoia che si formano ai confini tra i cristalli di ghiaccio a temperature inferiori allo zero. Quando il ghiaccio salato viene piegato, la pressione spinge gli ioni presenti nella salamoia dai lati compressi verso quelli in tensione. Questo flusso ionico genera una corrente elettrica, un meccanismo che gli autori hanno battezzato “streaming flexoelectricity”.
Prest azioni paragonabili ai migliori piezoelettrici
Gli esperimenti hanno mostrato che dispositivi di ghiaccio salato, modellati in forma di coni tronchi o fasce flessurali, possono raggiungere coefficienti elettromeccanici effettivi paragonabili a quelli dei migliori materiali piezoelettrici al piombo oggi disponibili sul mercato, come il titanio-zirconato di piombo (PZT).
In particolare, una semplice striscia di ghiaccio salato spessa meno di un millimetro ha generato valori di risposta elettromeccanica (d33 ≈ 4000 pC N−1) in linea con i cristalli piezoelettrici più avanzati. Il tutto con un procedimento a bassissimo costo: basta mescolare acqua e sale, versare in uno stampo e congelare.
Applicazioni e limiti
Le prospettive applicative sono numerose:
- Sensori in ambienti polari, in grado di ricavare energia dal moto ondoso o dai cambiamenti meccanici del ghiaccio, laddove batterie e pannelli solari risultano poco efficaci.
- Robotica soffice in climi estremi, dove dispositivi leggeri e autoriparabili potrebbero funzionare con materiali locali.
- Logistica e trasporto refrigerato, con rivestimenti di ghiaccio salato che monitorano deformazioni senza bisogno di cavi interni.
Tuttavia, esistono anche limitazioni: la risposta elettrica cala drasticamente sotto i −70 °C, quando i canali di salamoia si congelano completamente; inoltre, i dispositivi mostrano un degrado dopo circa 100.000 cicli di carico, dovuto al fluire della salamoia lungo i bordi dei grani. Anche l’efficienza complessiva rimane inferiore rispetto ai migliori piezoelettrici ceramici, a causa delle perdite dielettriche.
Implicazioni per la scienza planetaria
Oltre agli usi tecnologici, la scoperta potrebbe avere implicazioni per la geofisica e l’astrobiologia. Nei ghiacciai terrestri, la deformazione del ghiaccio salato potrebbe contribuire a segnali elettrici naturali già osservati, come i potenziali autoindotti nelle reti subglaciali.
Anche le lune ghiacciate del Sistema Solare esterno, come Europa (Giove) ed Encelado (Saturno), che possiedono croste di ghiaccio sopra oceani salati, potrebbero essere teatri naturali di questo fenomeno. La generazione elettrica in seguito a stress meccanici (da maree gravitazionali o impatti meteorici) potrebbe persino aver contribuito a processi chimici prebiotici.
Il ghiaccio, materiale tra i più comuni sulla Terra, si rivela un motore elettromeccanico naturale quando arricchito di sale. Pur con limiti da superare, questa scoperta apre nuove strade per la produzione di energia sostenibile in ambienti freddi e fornisce una chiave di lettura inedita dei processi elettrici che avvengono nei ghiacciai terrestri e nelle lune ghiacciate. Un esempio di come un ingrediente quotidiano, il sale, possa trasformare la fisica del ghiaccio e avvicinare l’umanità a nuove soluzioni energetiche.