Mentre il mondo continua a cercare fonti alternative di carburante per alimentare il suo insaziabile appetito per l’energia riducendo la dipendenza dai combustibili fossili, una nuova fonte potrebbe trovarsi in un posto inaspettato: i suoni che ci circondano.
Le indagini sull’energia sonora sono in corso da molti anni, ma l’uso del suono come fonte di energia è ancora nelle sue fasi nascenti. Questo articolo esaminerà cosa si intende per energia sonora, i suoi vari usi e la sua vitalità come fonte di energia alternativa.
Che cos’è l’energia sonora?
Esistono molti tipi diversi di energia e l’energia sonora deriva dalle vibrazioni delle onde sonore.
Ma come succede realmente? Quando un disturbo fa vibrare un oggetto o una sostanza, l’energia prodotta dalla vibrazione viaggia attraverso l’oggetto come onde sonore. L’oggetto o la sostanza vibrante deve essere solido, liquido o gas.
Qualcosa di semplice come agitare le mani in una sostanza come l’aria causerebbe abbastanza vibrazioni che portano alle onde sonore. Le onde sonore prodotte da questi mezzi non sono abbastanza forti per essere udite dagli esseri umani, ma il principio è lo stesso per le onde sonore che sono udibili ai nostri timpani. Le vibrazioni fanno sì che le molecole nella sostanza si scontrino l’una con l’altra e creino un effetto a catena che porta alla produzione di onde sonore.
Esistono due tipi principali di onde: onde longitudinali (o di compressione) e onde trasversali. Le onde longitudinali si formano quando le onde si muovono nella stessa direzione della forza che agisce sulla sostanza. Le aree in cui le onde sono più compatte sono chiamate compressioni; quelle aree in cui le onde sono più estese sono indicate come rarefazioni.
Le onde trasversali, d’altra parte, si muovono in una direzione perpendicolare alla forza applicata. Mentre le onde longitudinali possono verificarsi in una qualsiasi delle tre sostanze-solidi, liquidi o gas—le onde trasversali possono muoversi solo attraverso i solidi.
Le vibrazioni che producono queste onde sonore sono percepite dalle nostre orecchie, che poi le danno un senso. Per le orecchie umane di rilevare una vibrazione sonora, deve essere in movimento in qualsiasi punto tra 20 vibrazioni al secondo e 20.000 vibrazioni al secondo. Più vibrazioni sonore al secondo indica un suono più acuto. Queste vibrazioni sonore sono misurate in Hertz, che denota la frequenza di un suono.
Tuttavia, il volume di un suono è misurato in decibel (dB), con una conversazione normale di circa 60 dB.
Come viene utilizzata l’energia sonora?
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Sebbene l’attenzione all’energia sonora come possibile sostituto di altre fonti di energia sia un fenomeno relativamente nuovo, ci sono esempi di energia sonora che noi umani abbiamo a lungo usato per attività vitali.
Un esempio di energia sonora ha contribuito a salvare vite umane. Quando i piloti escono da un aereo che sta vivendo problemi al motore e scendono in mare, possono rilasciare una piccola carica esplosiva che emette energia sonora.
Il suono di un piccolo esplosivo viaggia per migliaia di metri nell’oceano profondo perché è intrappolato nel canale sonoro profondo, noto come SOFAR o Canale di fissaggio e intervallo del suono. Il suono può quindi essere raccolto da speciali dispositivi nell’oceano e la posizione del pilota abbattuto accertata, consentendo il loro salvataggio.
Un altro esempio di energia sonora è familiare a molti di noi: l’uso degli ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono costituiti da onde longitudinali ad altissima frequenza che possono essere utilizzate per rompere calcoli biliari e renali. È anche comunemente usato per scopi di imaging medico durante la gravidanza di una donna.
Un terzo esempio di energia sonora non è normalmente associato all’uomo: l’ecolocalizzazione. È risaputo che animali come delfini, balene e pipistrelli usano l’ecolocalizzazione per aiutarli a navigare e cacciare. Queste creature inviano onde sonore che rimbalzano sugli oggetti e ritornano a loro come echi, che indicano loro la posizione della preda o gli ostacoli sul loro cammino.
Ma sapevi che alcuni umani usano anche l’ecolocalizzazione? Alcune persone non vedenti e ipovedenti lo fanno facendo clic suoni con la lingua o toccando con le loro canne. Le onde sonore che creano rimbalzano sugli oggetti e servono a informarli sulla loro posizione, dimensione e consistenza.
L’energia sonora può sostituire i combustibili fossili?
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I ricercatori hanno studiato l’energia sonora come una delle forme rinnovabili di energia negli ultimi decenni. I ricercatori sono interessati a questo perché l’energia sonora contiene due tipi di energia meccanica—potenziale e cinetica—il che significa che ha la capacità di fare lavoro. Scopri di più nella nostra guida che spiega la differenza tra energia potenziale e cinetica.
Tuttavia, la tecnologia per sfruttare l’energia sonora come fonte di energia non ha ancora raggiunto lo stadio in cui può essere utilizzata su larga scala. Ad esempio, il suono di un trapano pneumatico, qualcosa che la maggior parte di noi trova troppo intenso, genera solo un centesimo di watt di energia per metro quadrato, mentre l’energia solare sulla stessa area produrrebbe fino a 680 watt.
Tuttavia, la pervasività dei suoni nel nostro ambiente rende sfruttare l’energia sonora per il potere una prospettiva allettante. Gli scienziati si riferiscono a questo come raccolta di energia acustica e la ricerca sul suo potenziale come fonte di energia si è concentrata principalmente su tre tecnologie: risonatori di Helmholtz, metamateriali acustici e motori termoacustici. Diamo uno sguardo più da vicino a tutti e tre.
Risonatori Helmholtz
I risonatori Helmholtz vengono utilizzati per amplificare o assorbire il suono. In un esperimento, i ricercatori hanno attirato su questa proprietà per catturare e amplificare i suoni in una stazione ferroviaria. Hanno poi convertito l’energia sonora in energia elettrica con l’aiuto di un modulo generatore di energia elettrica. La potenza risultante era sufficiente per azionare piccoli dispositivi elettronici.
Metamateriali acustici
Questi tipi di materiali sono progettati per manipolare le onde sonore per raggiungere un particolare obiettivo. Quelli in fase di sviluppo per sfruttare l’energia sonora sia amplificare le onde sonore in arrivo e concentrare l’energia dalle onde sonore per consentire la loro conversione in energia elettrica. Le strutture piezoelettriche sono comunemente utilizzate per la progettazione di metamateriali acustici.
Motori termoacustici
Questi tipi di motori convertono il calore in energia sonora da cui viene poi ricavata energia elettrica. I motori termoacustici sono considerati una tecnologia facile e affidabile da usare. Tuttavia, si basa su un alimentatore esterno per guidare il suo processo di raccolta dell’energia, a differenza degli altri due. Tra le sue applicazioni c’è il recupero del calore di scarto dei gas di scarico delle automobili per ridurre le emissioni, che viene poi convertito in energia sonora da cui viene raccolta energia elettrica.
Tuttavia, questi metodi di raccolta dell’energia acustica sono limitati nella loro applicazione nel mondo reale. Una ragione è che alcuni metodi funzionano solo con una banda stretta di frequenze, mentre molti dei suoni disponibili per la raccolta del suono nella vita moderna sono nella gamma di frequenze a banda larga. Una limitazione alleata è che le aree utilizzate per la raccolta dei suoni, come nel caso dei metamateriali acustici, sono in genere molto piccole, quindi non si può raccogliere molta energia.
L’energia sonora è una fonte di energia rinnovabile?
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L’uso dell’energia acustica come fonte di energia rinnovabile è ancora in fase sperimentale. Uno di questi esperimenti ha catturato il rumore generato in tre stazioni degli autobus. Con l’aiuto di metamateriali acustici, cioè piezoelettrici, ha convertito questo rumore in energia elettrica.
I ricercatori hanno affermato che il loro obiettivo era ridurre l’uso di fonti di energia non rinnovabili creando “energia elettrica sostenibile verde” che potrebbe essere utilizzata per alimentare i lampioni. I luoghi in cui hanno catturato il suono di routine avevano livelli di rumore di circa 80 decibel e l’energia catturata ha prodotto circa 0,024 watt ora da un’area di circa 1,5 metri quadrati.
Tuttavia, alcune aziende sembrano aver fatto progressi con l’uso di questa forma di energia su scala commerciale. Un Dipartimento di tecnologia finanziata dall’energia, noto come ResonantAcoustics Mixing (RAM), sviluppato da Resodyn Corp. è commercializzato per l’uso in industrie che fanno la miscelazione come una parte importante del loro processo di produzione.
Le vibrazioni sonore vengono utilizzate per miscelare liquidi e fanghi, come nella produzione di ceramiche, alimenti e prodotti farmaceutici e per il trattamento delle acque. Finora, l’azienda ha venduto i miscelatori sia negli Stati Uniti che all’estero e ha introdotto miscelatori di capacità ampiamente variabili.
Un’altra applicazione commerciale di energia sonora come energia rinnovabile viene fatta dal produttore di aeromobili Boeing. La società ha depositato un brevetto nel 2015 per una tecnologia che raccoglierebbe i suoni dai getti che decollano negli aeroporti e convertirebbe quel suono in elettricità per uso come potere.
Ancora un’altra applicazione brevettata di energia sonora è stata sviluppata dai ricercatori della RMIT University in Australia. Gli scienziati hanno brevettato una tecnologia che utilizza onde sonore ad alta frequenza per fornire vaccinazioni per inalazione piuttosto che usare aghi.
Un’applicazione ancora più concreta della tecnologia dell’energia sonora coinvolge un fornello sonico sviluppato dai ricercatori dell’Università di Nottingham, che utilizza l’energia sonora per produrre elettricità per alimentare le stufe. Le stufe, che producono 36 watt di elettricità, sono state testate in Asia. È considerata una tecnologia trasformativa poiché molte persone nell’Africa sub-sahariana e in alcune parti dell’Asia non hanno una fornitura di energia elettrica.
Può essere immagazzinata energia sonora?
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Lo stesso problema che ha ostacolato l’assorbimento della maggior parte delle forme di energia rinnovabile per diversi anni si pone con l’energia sonora: come si immagazzina l’energia dopo averla catturata?
Tipicamente, qualsiasi tipo di onda meccanica, comprese le onde sonore, cambierà la sua forma quando entrerà in contatto con un oggetto. Alcuni di essi saranno assorbiti dal materiale con cui entra in contatto o saranno dispersi. Quando le onde sonore vengono assorbite diventano un’altra forma di energia.
I ricercatori hanno sviluppato un modo per immagazzinare energia sonora fino a quando non è necessario in modo che venga convertita in energia elettrica solo su richiesta. Conosciuta come assorbimento virtuale coerente, la tecnica interrompe fondamentalmente il modo in cui le onde sonore interagiscono tipicamente con i materiali per consentire l’immagazzinamento dell’energia piuttosto che essere perso o trasformato in energia elettrica prima che sia necessario.
Quasi due decenni fa, è stato depositato un brevetto per una tecnologia per immagazzinare energia dal suono. Implica l’uso di volani che immagazzinerebbero energia elettrica per lunghi periodi e si diceva che fosse un dispositivo particolarmente utile per lo stoccaggio in aree remote.
Resta da vedere se una qualsiasi di queste tecnologie e brevetti alla fine decollerà e diventerà mainstream o sviluppata per l’uso su larga scala. Ma evidenziano che i ricercatori si stanno impegnando con la sfida pressante di trovare alternative ai combustibili fossili inquinanti che stanno guidando il cambiamento climatico e le catastrofi naturali in tutto il mondo. Qualsiasi sforzo di questo tipo va quindi lodato.
L’energia sonora è solo per le tue orecchie?
Come mostra questo articolo, l’energia sonora fa molto di più che soddisfare i bisogni di noi umani di comunicare, sia attraverso l’uso di strumenti musicali o di parola. L’articolo ha mostrato alcune delle molte possibili applicazioni della scienza dietro il modo in cui l’energia sonora viaggia a causa delle molecole d’aria e delle innovazioni tecnologiche raggiunte. Tale ricerca porterà forse a dispositivi che utilizzano l’acustica che offrono alle persone ipovedenti un’indipendenza ancora maggiore. Ci possono anche essere scoperte di nuovi modi per localizzare persone o oggetti smarriti, o per sfruttare questa risorsa rinnovabile per l’elettricità.
Portato a voi da taranergy.com
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