Gloria Girardi, 5sI
Sole ed energie rinnovabili:
un modo per salvaguardare il pianeta
-Il Sole è la stella madre del sistema solare, attorno alla quale orbitano gli otto pianeti
principali (tra cui la Terra), i pianeti nani, i loro satelliti, innumerevoli altri corpi minori e la
polvere diffusa per lo spazio. La massa del Sole, che ammonta a circa 2 · 1030 kg,
rappresenta da sola il 99,8% della massa complessiva del sistema solare.
Caratteristiche
-Il Sole è, propriamente, una stella di dimensioni medio-piccole costituita essenzialmente
da idrogeno (circa il 74% della sua massa, il 92,1% del suo volume) ed elio (circa il 2425% della massa, il 7,8% del volume). È classificata come una nana gialla e ha una
temperatura superficiale di circa 5 780 K (5 507 °C). Nel diagramma Hertzsprung-Russell
è collocato nella sequenza principale, ovvero in una lunga fase di equilibrio.
Posizione
-Il sole è collocato all’interno del Braccio di Orione, un braccio secondario della spirale
galattica.
Il Sole orbita attorno al centro della via Lattea ad una distanza media di circa 26'000 anni
luce da esso.
Formazione
-È accertato che la formazione del Sole, risalente a circa 4,57 miliardi di anni fa, fu dovuta
ad un rapido collasso di un’estesa nube molecolare, innescato da una o più supernovae
risiedenti nei paraggi. Questo collasso portò alla formazione di una generazione di
giovanissime stelle T Tauri, tra le quali anche il Sole. Le inclusioni ricche in calcioalluminio, residuate dalla formazione stellare, formarono poi un disco protoplanetario
attorno alla stella nascente. Tale ipotesi è stata formulata alla luce dell'alta abbondanza di
elementi pesanti, quali oro ed uranio, nel nostro sistema planetario.
Struttura
-Il sole possiede una struttura interna ben definita, uno strumento per determinare la
struttura solare è fornito dall’eliosismologia, una disciplina che analizza la differente
propagazione delle onde di pressione che attraversano l’interno del Sole. La struttura
interna del Sole appare costituita da involucri concentrici ed ogni strato possiede
caratteristiche e condizioni fisiche ben precise che lo differenziano dagli altri.
Gli strati, dal centro verso l’esterno, sono :
-Il nucleo;
-La zona radioattiva;
-La zona convettiva;
-La fotosfera ( superficie visibile del sole e presenta una struttura a granuli dovuta ai moti
convettivi che si verificano nella zona convettiva e presenta un’intensa attività manifestata
ad esempio con le macchie solari che si formano e scompaiono con regolarità);
-La cromosfera ( con la corona) forma l’astenosfera solare;
- La corona solare
Il Nucleo
-Il nucleo solare rappresenta in volume il 10 % della stella, in massa oltre il 40 %.È qui che
avvengono le reazioni di fusione nucleare, fonte principe dell'energia solare.
-Il nucleo solare presenta una densità superiore a 150 000 kg/m³ (150 volte quella
dell'acqua), una temperatura di circa 13 600 000 K ed una pressione di quasi 500 miliardi
di atmosfere; è la combinazione di simili valori a favorire la fusione nucleare dell'idrogeno
in elio. Il nucleo è l'unica regione della nostra stella in cui, attualmente, avvenga la fusione
nucleare. Tali reazioni liberano energia sotto forma di radiazione γ che, una volta emessa
dal nucleo, viene assorbita e riemessa dalla materia degli strati superiori, contribuendo a
mantenere alta la temperatura; nell'attraversare gli strati della stella la radiazione
elettromagnetica perde energia assumendo lunghezze d'onda sempre maggiori, passando
dalla banda γ alla banda X e ultravioletta, per poi diffondersi nello spazio come luce
visibile. Un altro prodotto delle reazioni nucleari sono i neutrini, particelle che raramente
interagiscono con la materia e che dunque attraversano liberamente lo spazio.
Energia emessa dal Sole
-La fusione nucleare consiste nella trasformazione di quattro nuclei d’idrogeno in un
nucleo di elio4. Ogni secondo nel nucleo della nostra stella 600'000'000 di tonnellate di
idrogeno vengono convertite in 595'740'000 tonnellate di elio. Dopo questa
trasformazione, parte della quantità iniziale di idrogeno sembrano esser state perse. In
realtà questa massa mancante si è trasformata direttamente in energia, ossia in
radiazione elettromagnetica, secondo l’equazione di Albert Einstein: E=mc 2 . Egli infatti
comprese e dimostrò che il principio di conservazione coinvolge sia la materia che
l'energia, considerate non più come due realtà distinte ma unitarie.
-La conversione da idrogeno ad elio avviene secondo queste trasformazioni:
[Nella prima reazione, due nuclei di idrogeno (protoni) si uniscono per formare un nucleo
di Deuterio (neutrone+protone) con conseguente liberazione di positrone e neutrino.
Successivamente un nucleo di Deuterio formato dalla reazione precedente si unisce ad un
nucleo di idrogeno (protone) producendo un nucleo di Trizio ovvero un isotopo stabile
dell’idrogeno (protone+2neutroni) il quale decade in Elio 3 con rilascio di energia.
Successivamente, un nucleo di elio 3, si scontra con un altro nucleo di elio 3 formatosi da
una reazione equivalente formando quindi un nucleo di elio 4, 2 atomi di idrogeno e
liberando energia.]
L’energia finale rilasciata quindi è pari a 24,158 MeV ( milioni di elettronvolt).
L'energia così generata, in 1 secondo è pari a 3,83×10 26 joule.
-Per capire l’enormità di questa energia possiamo considerare che l’energia prodotta dal
sole in un secondo è equivalente all’energia elettrica prodotta da tutti gli impianti presenti
sul nostro pianeta funzionando a pieno regime per i prossimi sei milioni di anni circa,
oppure considerando che una lavatrice consuma circa 1 kWh per ciascun lavaggio, ogni
secondo il Sole potrebbe fornire l’energia per 112 miliardi di miliardi di lavaggi.
Il bilancio energetico della Terra
-Questa quantità di energia, però, è riferita a quella totale emessa dal sole nello spazio
che equivale ad una potenza di 3,8x 10 26 W, ma di questo flusso continuo la Terra ne
intercetta una minima parte, che però in assoluto rappresenta una quantità notevole,
ammontante a 1,7x1017 W. Circa il 55% della potenza incidente al di sopra dell’atmosfera
riesce a penetrare fino alla superficie terrestre, mentre la parte restante viene direttamente
riflessa e diffusa verso lo spazio, oltreché essere assorbita dall’atmosfera.
È poca o è molta l’energia che proviene dal Sole?
-Dopo tutti questi numeri la domanda sorge spontanea; si tratta di un energia all’incirca
10'000 volte maggiore di quella consumata dall’umanità.
Naturalmente questa energia che ci “piove dall’alto” non è tutta disponibile, poiché non è
pensabile si possano sopprimere quegli essenziali cicli naturali che sono l’evaporazione
delle acque superficiali e la sintesi clorofilliana, in particolare. Inoltre, allo sfruttamento
intensivo dell’energia solare si oppone la sua diluizione su superfici molto vaste, e la sua
intermittenza nel tempo , dovuta al ciclo giorno-notte e alle condizioni meteorologiche,
questo fa sì che i sistemi di accumulo diventino di importanza primaria (contribuendo ad
aumentare il costo e la complessità degli impianti).
-Un altro problema riguarda la qualità dell’energia solare, la quantità che ne arriva sul
suolo terrestre è enorme, poco concentrata ma soprattutto a bassa temperatura, pertanto
è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per ricavarne quantità significative;
la quantità necessaria per ricavarne un’unità di energia facilmente sfruttabile è pertanto
elevata. Questo è riconducibile alla definizione di Exergia di Carnot, la quale indica il
massimo lavoro ottenibile da un sistema con una definita quantità di calore.
Una sorgente più calda, infatti, fornirà una maggior quantità di exergia e quindi una
maggior quantità di lavoro rispetto alla stessa quantità di energia termica rilasciata da una
sorgente a temperatura inferiore.
L’energia solare però, nonostante le gravi perdite nel raggiungerci e la sua scarsa qualità,
resta una fonte gratuita e pulita.
-Per i prossimi due decenni si prevede che la domanda di energia elettrica e di gas nel
mondo avrà il più alto tasso di crescita: il suo consumo dovrebbe raddoppiare.
Per evitare la possibilità di black-out e per evitare il conseguente aumento della quantità di
CO2 per l’immane produzione quindi si stanno cercando metodi alternativi più convenienti
e con meno impatto ambientale possibile.
-Tra i metodi alternativi attuali per acquisire l’energia del sole, i principali sono:
Pannelli Fotovoltaici
Pannelli Solari Termici
Celle a Multigiunzione (triplo strato e GaAs)
Solare a Concentrazione
Sistemi DiSP e Bisc
Sistemi a Lenti di Fresnel
Concentrazione con Separazione Spettrale
Filtri Dicroici
LSC Concentratori Solari a Luminescenza
I Pannelli Fotovoltaici
-I pannelli fotovoltaici utilizzano un sistema di celle fotovoltaiche in grado di ricevere i
fotoni derivanti dall’energia solare e trasformarli in energia elettrica.
Le celle fotovoltaiche sono generalmente costruite in Silicio, un materiale semiconduttore
poco costoso e presente in quantità abbondante in natura, questo per permettere il
movimento degli elettroni in un solo verso. Il fotone li colpisce mentre sono posti nello
strato di valenza e si spostano in quello di conduzione,pagando però come prezzo il
rilascio di parte dell’energia ricevuta dall’impatto.
Infatti i materiali semiconduttori presentano una differenza di energia chiamata “band gap”
tra la banda di valenza a quella di conduzione di circa 1eV, valore che può essere
paragonato all’energia trasportata dal fotone solare.
[Materiali conduttori infatti avrebbero band gap sovrapposte permettendo il movimento
degli elettroni in entrambi i versi mentre materiali isolanti invece presenterebbero un salto
troppo elevato non permettendo, al contrario, il movimento].
Una volta in banda di conduzione le cariche risentiranno di una differenza di potenziale
dovuta al loro spostamento e tenderebbero quindi a tornare nella loro posizione iniziale.
Questo movimento però è impedito dall’insufficiente energia per effettuare il salto al
contrario, a meno che i due semiconduttori non vengano collegati tra loro da un filo
conduttore provocando così un flusso di corrente.
-La peculiarità di questo metodo è che l’effetto fotovoltaico è in grado di convertire
l’energia della radiazione solare in elettrica senza parti meccaniche in movimento e senza
l’uso di combustibile.
L’energia raccolta dai moduli fotovoltaici dipende da una pluralità di fattori, dapprima dal
valore dell’insolazione media nella zona di installazione, dovuta al valore di latitudine e
dalle condizioni atmosferica.
In secondo luogo dipende dall’angolo di inclinazione rispetto al suolo (tilt) e dall’angolo di
azimut rispetto Sud dopo il montaggio.
L’efficienza di conversione è quindi in condizioni ottimali pari al 10.5%.
A livello economico il costo dei pannelli fotovoltaici è abbastanza elevato e per
ammortizzare la spesa, i moduli fotovoltaici devono avere un tempo di funzionamento che
varia tra i tre e i sei anni.
Pannelli solari termici
-Mentre il sistema solare fotovoltaico produce energia elettrica, il sistema solare termico
utilizza l’energia solare per il riscaldamento di un fluido per il riscaldamento trasferimento
del calore così da avere un dispositivo più semplice, meno costoso e come gli altri non
inquinante ed a basso impatto ambientale.
-Il pannello solare è costituito da una lastra metallica, trattata superficialmente in maniera
da essere opaca e scabra, per avere un coefficiente di assorbimento della radiazione
solare il più prossimo possibile all’unità.
Questa lastra è protetta posteriormente da uno strato di lana di vetro, o di altro isolante
termico, che blocca quasi del tutto le perdite per conduzione.
Anteriormente,è protetta da una lastra di vetro a tenuta, che dà effetto serra e diminuisce
di molto le perdite per convezione.
L’energia termica viene estratta dalla lastra mediante un fluido, in genere costituito da
acqua addizionata con antigelo, perché non solidifichi d’inverno. Questo fluido circola in
canali ricavati nello spessore della lastra, fatti in maniera da offrire un’ elevata superficie di
contatto tra fluido e metallo: ciò permette di avere un efficace scambio di calore per
conduzione e per convezione. Il movimento del fluido può avvenire o per circolazione
naturale, in impianti di piccole dimensioni, o per circolazione forzata.
-Il rendimento con cui l’energia solare viene captata dipende da vari fattori. In particolare,
se si desidera estrarre dall’impianto acqua molto calda, si dovrà far circolare lentamente il
fluido entro il pannello, perché il Sole deve avere il tempo di scaldarla a sufficienza.
In questo caso le perdite di calore verso l’ambiente saranno assai elevate, poiché maggior
è la differenza di temperatura esistente tra due corpi, maggiore è la quantità di calore che
essi si scambiano. Se invece si desidera estrarre molta acqua, ad una temperatura
soltanto lievemente maggiore di quella ambientale, le perdite di calore saranno basse, per
il ragionamento precedente. Ciò significa che, se si vuole ottenere acqua molto calda, il
rendimento del pannello solare risulta ridotto, mentre se si desidera avere acqua tiepida, il
rendimento risulta assai migliore.
Sistema Solare a Concentrazione
-Questo sistema permette ad una molteplicità di specchi piani di reindirizzare i raggi solari
incidenti in un unico punto così da aver un’uniformità dell’area focale illuminata a
differenza dei pannelli fotovoltaici che invece necessitano di un’area maggiore allo scopo
di raccogliere maggior area illuminata possibile.
Nel punto focale è posto un piccolo ricevitore fotovoltaico ad alta efficienza ed affidabilità
così da convertire in energia elettrica la maggior parte della porzione di luce incidente.
-Il Sistema Solare a Concentrazione a seconda di dove vogliamo porre il punto focale può
essere a Lenti Concentratrici o a Superfici Riflettenti.
Nel caso a Superfici Riflettenti il fascio luminoso viene riflesso sul ricevitore posto a
sospensione ad altezza fissata (come un’antenna parabolica) mentre nel caso a Lenti
concentratrici il fascio viene rilesso all’interno delle singole celle e poi riflesso ulteriormente
al centro di un pannello posto posteriormente.
Per fare ciò vengono utilizzate celle aperte a forma esagonale o a coda di rondine.
Questo metodo presenta il vantaggio di avere una minor area ed un minor uso di silicio e
la possibilità di usare celle ad alta efficienza ed affidabilità.
-Il sistema a concentrazione però necessità di un sistema di rintracciamento solare che
spesso viene posto sulla base di esso così da essere sempre in linea con i fasci solari.
Questo sistema ha il principale svantaggio di aver alte temperature di esercizio che ne
compromettono anche il rendimento finale (perdite per calore). Per fronteggiare questo
problema è necessario l’uso di un sistema di raffreddamento forzato posto dietro al
ricevitore così da far raggiungere al sistema un’efficienza del 16%.
Fusione Controllata
-Tutti i sistemi alternativi per la produzione di energia si basano sull’acquisizione dei raggi
provenienti dal Sole. Come già trattato pero, la quantità di energia che arriva sulla terra è
molto ridotta rispetto a quella prodotta dal Sole. Questo ha più volte spinto gli scienziati a
tentare di riprodurre una fonte di energia simile al Sole sul nostro pianeta, così da ridurne
le perdite dovute alla distanza. Si tratterebbe quindi di ricreare la fusione nucleare.
Questa permetterebbe di sviluppare un processo a catena controllato, auto sostenuto e
con sviluppo programmato di energia.
Gli elementi fondamentali nel processo di fusione sono facilmente reperibili, per esempio il
deuterio può essere estratto dall’acqua ed il trizio si può ottenere direttamente mediante
una reazione di semplice fissione.
-Il problema centrale è quello di avvicinare i nuclei interagenti in modo da ottenere,
nell’unità di tempo e di volume di combustibile, un numero di processi di fusione in cui la
potenza sviluppata sia maggiore di quella spesa per superare la repulsione elettrostatica
fra i protoni.
Mentre l’energia per la fusione di poche coppie di nuclei può essere fornita dagli
acceleratori di particelle, un processo su larga scala può avvenire solo portando la
temperatura di un sistema ad un valore intorno a 10^7 K.
A questa temperatura infatti, si ottiene uno stato chiamato Plasma, formato da nuclei nudi
ed elettroni liberi.
STORIA
-Questo metodo di preparazione non è nuovo, è già stato sperimentato e provato già
durante la seconda guerra mondiale; il loro utilizzo su Hiroshima e Nagasaki ne ha
segnato oltretutto la fine.
Progettata da Enrico Fermi e da suoi stretti collaboratori, la bomba nucleare, è considerata
una delle armi tutt’ora più pericolose al mondo. Pur non avendo da subito puntato a
quell’utilizzo, studiò la radioattività e le reazioni nucleari mediante neutroni lenti per trovare
un metodo alternativo di produzione di energia più vantaggiosa, fino al punto da mettere in
dubbio la sua opera al momento in cui si rese conto della grandezza dei suoi esperimenti
per conto del “Progetto Manhattan” dicendo: "non so se l'umanità ne trarrà un vantaggio
da questa scoperta”.
Per questo progetto infatti Enrico Fermi progettò e guidò la costruzione del primo reattore
nucleare a fissione come direttore tecnico, che produsse la prima reazione nucleare a
catena controllata usata successivamente per la realizzazione della bomba atomica nei
laboratori di Los Alamos.
Nei suoi racconti spiegò quali furono i motivi che spinsero così efficacemente lo studio
della bomba nucleare, scrisse: “L’osservatore obiettivo potrà essere sorpreso che sia stato
possibile raggiungere il risultato finale nel tempo stabilito che avrebbe richiesto anni in
circostanze normali; le ragioni sono varie. La prima, secondo me, è che i tempo erano
maturi tecnicamente e la situazione scientifica favorevole. La seconda è Hitler: l’odio per
lui era tale che chiunque e dico chiunque era disposto a lasciare le proprie occupazioni e
lavorare giorno e notte per porre fine alle sue malefatte, inoltre, nella fretta imposta dalle
necessità belliche si bruciarono le tappe saltando il tradizionale salto degli impianti pilota”.
[P.211,“personaggi e scoperte della fisica contemporanea”, Emilio Segrè, Mondadori]
Il compito originale di Los Alamos infatti iniziò nel 1941 e si concluse il 16 luglio 1945con la
detonazione della prima bomba.
-In questi ultimi anni invece stiamo vivendo giorno per giorno con sempre più ricercatori
che ci parlano di come sarà il nostro pianeta tra qualche anno continuando a sfruttarlo
come stiamo facendo oggi e non cambiando le nostre abitudini per rispettarlo.
Eppure la corsa all’innovazione (seppur con qualche nuovo metodo energetico aiutato da
contributi statali e/o regionale) non viene sentita da chi si intende di progettazione e studio
di nuove tecnologie che sostituiscano le attuali.
Infatti, è il solo dominare in campo bellico e il primeggiare tra le fazioni che ci sprona a
trovare valide alternative ai metodi tradizionali.
La fusione nucleare come metodo per la produzione di energia infatti è iniziata nel 1958,
inizialmente stimata la prima realizzazione dei reattori a 30 anni dopo, è stata posticipata
di altrettanto con un probabile termine per il 2022 quando comunque sarà costruito un solo
piccolo reattore che fungerà da scopo dimostrativo.
-Il più rilevante problema tecnologico è quello di innescare l’ignizione del combustibile
nucleare, di provocare cioè la famosa implosione che costringa i nuclei della miscela
deuterio-trizio a un processo di fusione controllato.
L’idea fondamentale è quella di realizzare una materia di densità così elevata da impedire
alle particelle di sfuggire dal bruciatore nucleare prima di scontrarsi e fondersi.
Se un giorno i fisici riusciranno a realizzare mediante una valida tecnologia la fusione
nucleare controllata, l’umanità non solo sarà liberata dalla maggior parte dei problemi
economici, tecnici e politici imposti da coloro che oggi posseggono le tradizionali fonti di
energia, ma vi potrà disporre di una forma d’energia praticamente inesauribile e
probabilmente più equamente distribuita.
Quindi come scrisse Segrè:”Come l’uomo ha acceso il fuoco guardando gli effetti prodotti
dal fulmine, come è riuscito a volare guardando gli uccelli, prima o poi riuscirà anche a
imitare il sole costruendone un pezzo sulla terra. Qualche cosa si è fatto, i risultati fanno
bene sperare, ancora però resta molto da fare”.
Bibliografia:
A.Caforio-A.Ferilli,”Physica”,Le Monnier,1994
V. Zanetti, “ La fisica attorno a noi”, Zanichelli, 1989
E. Segrè, “ Personaggi e scoperte della fisica contemporanea”, Oscar Mondadori, 2001
C. Pignocchino Feyles- I. Neviani “Geografia Generale, La Terra nell’ Universo”, Sei, 2009
“Wikipedia”
