Science, 9 Apr 93, Vol. 260, pg. 176 - S. R. Ovshinsky - Un veicolo elettrico competitivo con gli attuali veicoli con motore a combustione interna richiede una soluzione innovativa per le batterie elettriche. Sono allo studio batterie al nickel metal hydrite (NiMH) in cui l’elettrodo negativo è costituito da una lega metallo-idrogeno (metal hydrite=MH). Nello stato ridotto (hydrite) l’idrogeno entra nella struttura del metallo senza modificarne la cristallografia e provocando solo un 10% di espansione volumetrica. L’elettrodo rimane metallico in ambedue gli stati di ossidazione (scarica) e riduzione (carica). La batteria NiMH ha una tensione di 1,2 V, la capacità attuale è di 400 mAh/gr e si pensa di raggiungere i 600. Con le attuali batterie il veicolo elettrico della GM percorre 180 km con una capacità di 13.5kWh. Con la tecnologia NiMH e lo stesso peso di batterie si possono fornire 31,6 kWh aumentando la capacità di percorso fino a 415 km.
Science, 21 May 93, Vol. 260, pg. 1071 - Random Samples - Per il prossimo giugno viene sponsorizzata dalla DOE e dalla General Motors la Sunrayce 93, una gara fra auto azionate ad energia solare. Per essere qualificata per questa prova di 7 giorni, che dovrà coprire 1000 miglia da Arlington, Texas, a Minneapolis, Minnesota, un auto deve essere capace di percorrere un circuito di 50 miglia con una velocità media di 20 mph. L’energia media che può essere raccolta dai pannelli solari è di 1000 watts, circa un cavallo, le auto pesano circa 300 libbre e sono munite di una piccola batteria per i periodi di cielo coperto, ma devono in pratica muoversi con l’energia fornita dal sole. Nel 1990 un team dell’Università del Michigan vinse la prima gara su un percorso di 1644 miglia dalla Florida al Michigan alla velocità media di 23 mph.
Science, 18 Jun 93, Vol. 260, pg. 1736 - Daniel Clery - La Comunità Europea (EC) ha promosso una serie di progetti comuni orientati allo sviluppo tecnologico. EUREKA è un insieme di progetti di ricerca orientati al mercato per 15,6 miliardi di US$ (1,21 US$=1ECU); fra questi la High Definition Television (HDTV) e lo JESSI (Joint European Submicron Silicon Program). Ci sono poi i programmi di ricerca precompetitivi con un budget di 7,99 miliardi di US$ (commissari Antonio Ruberti e Martin Bangemann); fra questi ESPRIT sulle tecnologie informatiche con 48 milioni di US$ per anno per la ricerca di base, il BRITE/EURAM per le tecnologie industriali e dei materiali, il RACE per le tecnologie delle comunicazione e il TELEMATICS per lo scambio di informazioni.
Una particolare storia ha il progetto HDTV. Nel 1986 di fronte al pericolo che venisse adottato il nascente standard giapponese come standard mondiale, l’industria europea volle sviluppare un sistema basato sulle trasmissioni satellite-terra con un nuovo standard chiamato MAC, questo fu inserito nel programma EUREKA, ma lo sviluppo della HDTV è legato ad una soluzione tutta digitale che ha attualmente la Philips come industria leader. Il mercato però non decolla perché non ci sono trasmissioni e nessuno ha interesse ad essere il primo. La Philips e la Thomson francese sperano in un consorzio che sviluppi la HDTV sia per gli USA che per l’Europa.
Science, 3 Sep 93, Vol. 261, pg. 1255 - Philip H. Abelson (Editorial) - La generazione di energia elettrica mediante turbine a vento attira sempre più investitori. Con le nuove macchine disponibili il costo passerà dai 9 cents/kWh ai 4 cents/kWh entro il 2000. Negli anni 70 le macchine non erano ancora molto affidabili e la loro disponibilità era del 50 - 60%, oggi con i miglioramenti si arriva al 95 - 98%. Anche il costo del capitale di installazione è passato da 2000 US$/kW a 1000 /kW. Le nuove turbine possono funzionare con un vento da 9 a 60 mph e convertono l’energia con sistemi allo stato solido alla frequenza di 60 Hz. La maggior parte delle macchine hanno un rotore a due o tre pale con asse orizzontale a 30 metri da terra; il diametro del rotore in un modello è di 33 m. La potenza del vento è proporzionale al cubo della velocità dell’aria; con queste caratteristiche si ottiene una potenza di uscita di 400 kW. Aumentando l’altezza a 50 m si incrementa la potenza del 20%; si sono raggiunte altezze di 82 m da terra. Il progetto delle nuove turbine è basato sull’esperienza aeronautica. In un impianto di produzione eolica le turbine devono essere poste ad una distanza di 150 - 300 m in terreno piatto ed un tipico impianto potrà contenere 100 turbine. Oggi negli USA questi impianti si trovano soprattutto in California dove forniscono circa 1% della richiesta di energia; lo stato del North Dakota ha un potenziale pari al 36% di tutte le richieste degli USA. In un futuro si può pensare di ottenere dai sistemi eolici circa il 20% dell’energia elettrica richiesta.
Science, 26 Nov 93, Vol. 262, pg. 1381 - Marc M. Wefer - La tecnica spettrografica è stata rivoluzionata dalla possibilità di generare impulsi ottici di durata inferiore a 100 fs e si pensa di ottenere in breve impulsi laser da 1 millijoule più corti di 20 fs. L’uso di impulsi laser così corti permette l’osservazione diretta di processi molecolari molto veloci. Si potrà inoltre estendere l’applicazione dalla semplice osservazione al controllo dei processi.
Science, 20 May 94, Vol. 264, pg. 1084 - James Glanz - Si sono fatti nuovi progressi nelle batterie a ioni di litio per l’uso nei veicoli elettrici (EV) migliorando il livello di corrente, il costo e la stabilità. Le batterie al litio sono emerse a metà degli anni ‘70 perché fornivano una tensione superiore a quella delle celle al NiCd ed al piombo, ma a questo vantaggio si contrappone un alto costo inoltre se danneggiate il litio è molto pericoloso, gli elettroliti usati hanno un’alta resistenza e le batterie devono usare componenti ad alta purezza ed essere ermetiche. Una nuova strategia si è adottata usando come elettrolita una soluzione acquosa di idrossido di litio che migliora la stabilità e riduce il costo fino ad un fattore 10 rispetto alle batterie al NiCd, la tensione si è però abbassata fino ad essere solo di poco superiore a quella delle NiCd.
Science, 5 Aug 94, Vol. 265, pg. 736 - James Glanz - La tecnica degli ologrammi può fornire una risposta alla richiesta di memorie di grandi capacità. L’idea fu sviluppata nel 1940 dal fisico inglese Dennis Gabor il quale mostrò che quando un fascio di luce coerente riflesso da un oggetto interferisce con un altro fascio di luce coerente, si forma un’immagine di interferenza che rappresenta l’oggetto in modo tridimensionale. Se l’immagine di interferenza viene fotografata e poi illuminata da un fascio di luce coerente l’oggetto riappare come tridimensionale. Nell’applicazione come memoria di dati digitali, un ologramma può condensare un volume invece di una superficie di dati inoltre si può scrivere e leggere l’intero volume di dati con un solo lampo di un fascio laser. La realizzazione pratica di una tale memoria è rimasta però solo una promessa. Per ottenere memorie di scrittura e lettura si sono usati cristalli fotorifrattivi di litio-niobato capaci di immagazzinare gli ologrammi, tuttavia questo mezzo può introdurre degli errori per effetto della luce diffusa in modo casuale nel cristallo. Un team di Stanford ha ora superato questo problema memorizzando ciascun bit in due pixel con le sequenze luce-buio e buio-luce per i valori 0 e 1 ed introducendo per ogni set di 8 bit 4 bit di correzione di errore. Su questa base si sta creando una competizione a livello industriale per portare quanto prima sul mercato le memorie olografiche.
Science, 19 Aug 94, Vol. 265, pg. 1035 - Robert F. Service - L’introduzione dei superconduttori ad alta temperatura porta a semplificare l’impiego dei dispositivi SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), i rivelatori magnetici usati nello studio di fenomeni più disparati dalle onde gravitazionali alle aritmie cardiache, in quanto oggi è possibile raffreddarli con azoto liquido invece che con l’elio liquido. La IBM ha usato un superconduttore formato da un film sottile di un composto di mercurio, bario, calcio, rame ed ossigeno (HBCCO) che opera alla temperatura di 112 K, con un buon margine rispetto ai 77 K dell’azoto liquido. Nel futuro con superconduttori operanti a 150 K si potranno usare raffreddatori elettronici sul chip eliminando il liquido criogenico e rendendo il dispositivo portatile, più piccolo e più economico.
Science, 7 Oct 94, Vol. 266, pg. 11 - Philip H. Abelson (Editorial) - Da lungo tempo è stata riconosciuta l’utilità di accumulatori di energia magnetica che possano intervenire in meno di 2 millisecondi fornendo alla rete corrente alternata per durate dell’ordine del minuto per dare tempo ad altri sistemi di emergenza di intervenire. La continuità della rete di energia è diventata importante specialmente per i sistemi di calcolatori e di controllo particolarmente sensibili alle interruzioni momentanee. I costi di interruzione negli USA vanno dai 12 ai 26 miliardi di US$. Questi accumulatori sono detti Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) e l’energia risiede nel campo magnetico generato da un superconduttore in lega di niobio-titanio funzionante a 4 K ed è pari a ½L*I^2 dove L è l’induttanza e I la corrente. L’efficienza di trasformazione in energia alternata è del 96%. Il primo produttore commerciale è stato la Superconductivity Inc. di Madison, Wisconsin, che ha costruito poche unità al costo di 1 milione di US$ con ottimi risultati. Un sistema è stato usato presso la IBM Megatest Facility, un altro in una fabbrica del South Carolina per le sue apparecchiature automatiche di controllo elettronico. Nel 1997 è previsto di installare un grande sistema SMES in una rete di potenza in Alaska ad Anchorage. Il magnete avrà un peso di 250000 kg e vi scorreranno 16000 A in un campo di 5,5 tesla, il costo sarà di 25 milioni di US$.
Science, 16 Dec 94, Vol. 266, pg. 1807 - Robert F. Service - Oggi è possibile trasmettere informazioni su fibre ottiche alla velocità della luce, ma il loro uso in telefonia richiede poi la conversione degli impulsi luminosi in vibrazioni acustiche, o attraverso il passaggio intermedio a segnali elettrici o direttamente. Quest’ultima soluzione sembra possibile mediante una classe di materiali che hanno proprietà di fotostrizione e convertono la luce in moti meccanici. Questi materiali, noti come PLZT combinano due noti fenomeni: l’effetto fotovoltaico che converte la luce in elettricità e l’effetto piezoelettrico che converte l’energia elettrica in movimento. Il PLZT è un composto cristallino costituito da piombo, lantanio, zirgonio, titanio ed ossigeno che formano cristalli cubici con il titanio o lo zirgonio al centro. Sembra che i fotoni eccitano gli elettroni legati agli atomi di lantanio e tungsteno posti ai vertici del cubo. Le cariche negative si spostano all’interno della struttura ed essendo questa non simmetrica esercitano delle sollecitazioni meccaniche che cambiano le sue dimensioni.
Science, 19 May 95, Vol. 268, pg. 993 - Lester B. Lave - Gli stati della California e del Nord-est hanno approvato una legge che richiede per il 1998 un 2% dei veicoli ad “emissione zero” cioè elettrici. Attualmente l’unica tecnologia pratica per le batterie dei veicoli elettrici è quella al piombo ed uno dei pericoli è l’inquinamento prodotto dallo scarico nell’ambiente delle batterie non più utilizzabili; la quantità di piombo scaricata nell’ambiente sarebbe 60 volte superiore a quella di una macchina alimentata da benzina al piombo. Anche le batterie al nikel-cadmio sono altamente tossiche oltre ad essere più costose. Più attraenti sono le tecnologie sodio-zolfo e litio-polimero.
Science, 19 Jan 96, Vol. 271, pg. 173 - Philips H. Abelson (Editorial) - In questo secolo l’industria di produzione dell’energia elettrica ha subito dei profondi cambiamenti in risposta ai problemi di trasferimento della potenza, della domanda e delle esigenze degli utenti. I ricercatori ed i tecnici che usano i computer come anche le industrie che usano macchine controllate elettronicamente richiedono una sorgente di energia affidabile ed anche l’interruzione di un solo ciclo può creare seri problemi alla produzione ed al lavoro. Una tale affidabilità non è facile da ottenere; i generatori devono essere sincronizzati anche se si trovano a migliaia di km di distanza. Vengono ora installati sensori che rivelano una deviazione nella forma d’onda ed immediatamente, in un frazione di ciclo, dispositivi a thyristori forniscono l’energia necessaria a compensare questa deviazione. La produzione in grande scala e la competizione hanno ridotto anche i costi; oggi il costo si aggira fra 3 e 16 cents per kilowatt-ora.
Science, 31 May 96, Vol. 272, pg. 1276 - Terry M. Tritt - La termoelettricità o effetto Seebeck viene usata per la misura di differenze di temperatura tramite termocoppie. Meno comune è l’uso inverso per effetto Peltier per ottenere un raffreddamento elettrico o una generazione di potenza elettrica. Questo uso si è diffuso nelle applicazioni spaziali. Ad esempio nel Voyager I e II, lanciati nel 1977, una sorgente radioattiva veniva usata come sorgente di calore per un generatore termoelettrico; lo stesso si farà nella futura missione Cassini verso Saturno. L’uso come raffreddatore è stato invece applicato per raffreddare le celle a CCD, i rivelatori infrarossi, gli amplificatori a basso rumore, i diodi laser ed i chip dei calcolatori.
Science, 11 Apr 97, Vol. 276, pg. 194 - Eliot Marshall - Il programma USA per migliorare l’efficienza delle automobili entro il 2000 è noto come Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) ed è stato iniziato nel settembre 1993 dal presidente Clinton. L’obiettivo principale è di creare entro una decade automobili con un alto standard di antinquinamento e con una efficienza di 80 miglia per gallone (oggi la media è di 20-30 miglia per gallone). Attualmente il National Research Council (NRC) ha costatato che si è lontani dal raggiungere gli obiettivi. Fra i progetti in corso c’è quello di un motore diesel avanzato noto come “compression ignition direct injection engine” (CIDI). La General Motors sta provando un’auto con il CIDI e due sistemi a propulsione ibrida. La Chrysler progetta un’auto con fuel-cell alimentato a benzina e la Ford un veicolo diesel-elettrico.
Science, 23 May 97, Vol. 276, pg. 1211 - A. H. Epstein - La microfabbricazione di meccanismi con parti in movimento è stata iniziata dalla Bell Labs a metà degli anni ‘80, microingranaggi, micromotori, e camere di combustione per una microturbina. Nella realizzazione di un motore a turbina su dimensioni millimetriche viene mantenuta la densità di potenza per unità di volume cioè se una turbina delle dimensione del metro genera 100 Mw una turbina di dimensioni mille volte più piccole produce delle decine di watt. Date le dimensioni ridotte i materiali per questi dispositivi hanno meno difetti, sono molto più robusti e possono lavorare a velocità maggiori. Si stima che una turbogeneratore a gas delle dimensioni di 1 cmc possa produrre 50 w di potenza elettrica. Il vantaggio sul peso è inoltre notevole: infatti il flusso si riduce come il quadrato delle dimensioni lineari mentre il peso si riduce con il cubo, quindi il rapporto potenza/peso cresce linearmente. Questo fatto è molto importante per dispositivi volanti perché il rapporto peso potenza che oggi nei motori aerei è di 10/1 può passare a 100/1.
Science, 19 Sep 97, Vol. 277, pg. 1787 - Mervyn Miles - Mediante la tecnica di Scanning Probe Microscopy (SPM) è possibile creare immagini tridimensionali (3D) su scala atomica e mappare le proprietà elettriche meccaniche e ottiche di superfici a livello dei singoli atomi. La SPM non usa lenti, ma una sonda che viene avvicinata alla superficie di prova per misurare l’interazione. Se l’interazione misurata e la forza fra gli atomi di parla di Atomic Force Microscopy (AFM), se viene misurata la corrente di effetto tunnel quanto-meccanica si parla di Scanning Tunneling Microscopy (STM). Nel caso della AFM, che è la tecnica SPM più largamente usata, la sonda è una lamina flessibile lunga circa 100 micron la cui flessione viene misurata otticamente; la flessione è proporzionale alla forza e la sensibilità è di circa 100 piconewton. La tecnica SPM è essenzialmente una microscopia di superficie e non può vedere in profondità come con l’uso del microscopio elettronico (tecnica di Transmission Electron Microscopy o TEM), in compenso non danneggia i campioni biologici e organici, inoltre è lenta e si può ottenere circa un’immagine al minuto. Oggi si stanno sviluppando sonde con tempo di risposta 10 volte più alto e sonde multiple per aumentare la velocità. Un obiettivo della tecnica SPM è quello di individuare singoli atomi nella loro posizione tridimensionale ed in questo caso è necessario rivelare i singoli spin e quindi un miglioramento nella sensibilità di due ordini di grandezza al livello di attonewton.
Science, 7 Nov 97, Vol. 278, pg. 1021 - Random Samples - Gli scienziati del California Institute of Technology a Pasadena hanno costruito il primo neurochip, cioè un chip al silicio che si interfaccia con una cellula nervosa vivente. Potrebbe essere questo il precursore di un dispositivo bionico collegato a neuroni viventi. Per il momento i neurobiologi vogliono usarlo per capire come le cellule nervose crescono e parlano fra di loro. Il problema sta nel mantenere viventi i neuroni; fino ad ora si sono raggiunte le due settimane. Se si riuscirà a farli vivere di più si potrà studiare come un piccolo gruppo di neuroni imparano dopo essere stati stimolati ripetutamente. Una delle applicazioni future potrà essere la realizzazione di una retina attiva, ma ancora è troppo presto.
Science, 8 May 98, Vol. 280, pg. 823 - David Kestenbaum - Fra le unità di misura, mentre il metro ed il secondo sono ora definite in termini di costanti universali come la velocità della luce e la costante di Planck che definisce la spaziatura delle orbite elettroniche in un atomo, il chilogrammo è rimasto legato al blocco di platino-iridio conservato in Francia. Ora i fisici dello National Institute of Standard and Technology (NIST) e della comunità delle Unità di misura pensano di sostituite questo campione con un numero che specifica esattamente quanti atomi (ad esempio 10E25 di silicio) costituiscono questa massa, oppure il peso equivalente alla forza generata da un filo percorso da una corrente standard. L’unità di misura conservata a Parigi (le Grand K) non garantisce una stabilità assoluta e nel 1989 un controllo ha concluso che cambia di meno di 5 milionesimi di grammi per anno, ma il conteggio degli atomi ha presentato grosse difficoltà. I laboratori degli Standard di Germania, Italia e Giappone hanno usato delle sfere di silicio cristallino estremamente puro da 93 mm di diametro con difetti di solo una parte per milione, hanno valutato il contenuto degli isotopi Si(15)/ Si(14) ed hanno misurato la distanza fra gli atomi con i raggi X. Il confronto fra i risultati è stato però deludente ed ha indicato un’incertezza di 3 parti su un milione, 10 volte quella stimata. Sembra che il motivo sia dovuto alla presenza di buchi nel reticolo cristallino e si sta cercando di determinare la densità di questi buchi. Il secondo sistema, quello della misura della forza consiste nel realizzare una forza elettromagnetica che bilanci esattamente la forza di gravità di un kg; il dispositivo è detto Bilancia di Watt. Il dispositivo sperimentale è alto due piani all’interno di un edificio di legno isolato per minimizzare vibrazioni e disturbi elettromagnetici, vanno eseguite misure gravimetriche esatte e la misura di massa è fatte in termini di unità standard di tensione e corrente. I risultati hanno dato delle fluttuazioni di 1,5 parti su 10 milioni. Si pensa ad un miglioramento mettendo la bilancia nel vuoto e l’obiettivo è di aggiungere una parte su 100 milioni, si pensa poi ad una versione ridotta trasportabile in cui la bilancia è sostituita da un sistema a levitazione.
Science, 28 Aug 98, Vol. 281, pg. 1262 - Robert F. Service - Al Los Alamos National Laboratory si è in procinto di mettere in funzione un nuovo supermagnete capace di generare un campo di 60 tesla, un milione di volte maggiore del campo magnetico terrestre. Questo valore del campo è stato già raggiunto, ma può essere mantenuto solo per 1 millisecondo. Il nuovo magnete, con un generatore da 1000 ton, lo può sostenere per circa 100 millisecondi. Il dispositivo sarà utile per studiare il comportamento di materiali diversi come semiconduttori, superconduttori ad alta temperatura e materiali magnetici laminari per dischi di computers. Il tempo di azione più lungo consentirà una migliore raccolta dei dati.
Science, 6 Nov 98, Vol. 282, pg. 1053 - E. A. Parson - Un modo di ridurre l’emissione di anidride carbonica nell’uso dei combustibili fossili, e quindi il suo impatto climatico sulla Terra, è quello di sequestrare la CO2 prodotta mediante un processo di separazione e successivo assorbimento negli oceani o nel terreno. Esistono già diverse tecnologie ed altre sono allo studio. Una tecnica matura è l’uso di solventi amminici per trattare i gas di postcombustione nelle centrali elettriche a combustibile; questa tecnica comporta una penalità in termini di energia del 20% con un costo di 70-140 US$ per tonnellata di carbone. Tecnologie più avanzate promettono una penalità in energia di circa il 10%. Alla fine la CO2 può essere sequestrata nelle profondità dell’oceano la cui capacità e di 1000-10000 Gt di CO2 contro le 8 Gt emesse ogni anno dall’uomo. Tuttavia il 20% della CO2 iniettata nell’oceano ritornerebbe nell’atmosfera nei successivi 300 anni. Siti geologici promettenti per sequestrare la CO2 sono anche i letti di carbone fossile; questi contengono anche metano di assorbimento che può essere scacciato iniettando CO2 e su questo si basa il progetto di una centrale elettrica con emissione zero ad Alberta in Canada. La CO2 può essere assorbita anche in acque saline profonde e questa tecnica viene usata oggi in Norvegia in risposta alla carbon tax; un progetto simile è pianificato in Indonesia. Questi metodi di assorbimento richiedono uno studio accurato dei siti geologici che possono avere un lento o rapido rilascio della CO2 iniettata; anche l’impatto sulla chimica degli oceani va attentamente studiato e tutti questi metodi, efficaci nel breve termine, potrebbero non avere effetti a lungo termine.
Science, 27 Nov 98, Vol. 282, pg. 1679 - Yoel Fink - Gli specchi a superfici metalliche sono capaci di riflettere la luce in una larga banda di frequenze e con angoli di incidenza arbitrari, presentano però delle perdite per assorbimento specie alle frequenze infrarosse. Uno studio teorico recente mostra come un riflettore dielettrico, costituito da strati di materiale dielettrico con differenti costanti dielettriche può riflettere senza perdite in un campo particolare di frequenze e per ogni angolo di incidenza. Un esempio è un riflettore costruito con 9 strati alternativamente di polistirene e tellurio che riflette in modo omnidirezionale le lunghezze d’onda fra 10 e 15 micrometri.
Science, 5 Feb 99, Vol. 283, pg. 769 - Ivan Amato - Il primo laser è stato realizzato nel 1961 e produceva luce rossa; successivamente sorgenti laser sono state ottenute a frequenze sempre più elevate, nel campo degli ultravioletti e poi dei raggi X, ora si sta arrivando all’ultima frontiera, quella dei raggi gamma. Il 25 gennaio, nel Physical Review Letters, un team di ricercatori ha mostrato che una forma di hafnium-178, estratta dalle scorie degli acceleratori, può rilasciare l’energia accumulata negli atomi come fasci di raggi gamma. Queste radiazioni non sono per il momento coerenti, ma i ricercatori pensano di poter meglio controllare il fenomeno in futuro. La nuova sorgente può avere molte applicazioni: da un sistema di fotolitografia per microcircuiti fino a dimensioni atomiche a sistemi di sterilizzazione di aree contaminate.
Science, 5 Feb 99, Vol. 283, pg. 804 - Terry M. Tritt - Il raffreddamento di circuiti elettronici per ottimizzarne le prestazioni viene spesso fatto con sistemi basati su cicli termodinamici con compressione ed espansione di gas refrigeranti. L’uso di materiali termoelettrici (TE) che sfruttano l’effetto Peltier, nel quale il calore viene trasportato dai portatori di carica elettrica, elettroni o buchi, quando il materiale è percorso da corrente, ha il vantaggio di non avere parti in movimento, ma fino a questo momento il sistema ha una bassa efficienza e le applicazioni sono limitate. Studi recenti hanno dimostrato che un buon materiale TE deve avere una buona conducibilità elettrica ed una cattiva conducibilità termica e quindi avere insieme le proprietà di un materiale cristallino e quelle di un vetro. Un buon materiale TE ha anche una buona proprietà di conversione di energia data dall’effetto Seebeck, opposto al Peltier, ed espressa dalla differenza di potenziale prodotta da una differenza di temperatura. Una figura di merito dei materiali TE è data da ZT = (σ*α^2/λ)T dove σ è la conducibilità elettrica, α il coefficiente di Seebeck, λ la conducibilità termica e T la temperatura espressa in gradi kelvin (K). Gli attuali materiali TE (ad esempio Bi-Te) permettono il raffreddamento fino a 250 K ed hanno uno ZT è circa 1 valore limite da oltre 30 anni; un miglioramento che porti ad una temperatura <=220 K potrebbe rivoluzionare l’industria dei computer e dei rivelatori di infrarossi, molte applicazioni diventerebbero pratiche per ZT > 2 e ZT = 3. Nella ricerca di nuovi materiali si cerca di minimizzare la conducibilità termica introducendo atomi nei buchi della struttura. I risultati pubblicati dai gruppi di studio sono molto promettenti (ZT > 2 e ZT > 3) e aspettano di essere confermati e replicati.
Science, 16 Apr 99, Vol. 284, pg. 416 - James Glanz - Durante la prossima estate un intercettore da 55 kg, lanciato dal Kwajalein Missile Range nelle isole Marshall e controllato con thrusters, dovrà colpire una testa di guerra lanciata verso ovest dalla base di Vanderberg in California. Questo sarà il primo test del sistema Thaad (Theater High Altitude Area Defence) destinato a proteggere gli Stati Uniti da un numero limitato di Intercontinental Ballistic Missiles (ICBM). La distruzione della testa di guerra avverrà solo per l’energia cinetica dell’impatto. Questo programma del National Missile Defence (NMD) ha un obiettivo limitato se paragonato con quello di Strategic Defence Initiative (SDI) degli anni ‘80 e si basa su tecnologie oggi esistenti, ring laser per la guida inerziale, sensori a infrarosso e processori per il calcolo delle traiettorie. Gli scettici tuttavia osservano che ciò non eliminerà la preoccupazione sulla difesa missilistica e renderà il mondo sempre più pericoloso, potrebbe violare il trattato sugli Anti Ballistic Missile del 1972 ed indurre i potenziali avversari a costruire più armi per saturare le difese. Si ritiene inoltre che un sistema di difesa è sempre vulnerabile da contromisure e decoys. L’unica risposta efficace alla minaccia nucleare o biologica è il deterrente. Dopo l’abbandono del sistema SDI agli inizi degli anni ‘90 l’idea di una difesa limitata ha però guadagnato interesse. Con la guerra del Golfo è stato rivalutato il sistema antimissile Patriot per abbattere i missili Scud dell’Iraq. Il Patriot è stato successivamente riprogettato ed è nata la versione Patriot-3 (Pac-3) più leggera e manovrabile mediante l’uso di thruster che dovrebbe colpire e distruggere un bersaglio a 20 km di altezza. Il Tac-3 sarebbe inserito in un sistema come il Thaad che riceve un primo allarme da sensori infrarossi montati su satelliti e quindi ingaggia il bersaglio con un radar in banda X che dovrebbe distinguere le teste di guerra dai decoys. Il punto di intercetto è situato fra 40 e 100 km dove l’aria e sufficientemente densa per separare i decoys leggeri e fare contrasto nell’infrarosso con le teste di guerra più calde. L’intercettore è munito anche di una matrice di sensori infrarossi che formeranno un’immagine dei bersagli. Il sistema del NMD che vuole intercettare le teste di guerra a centinaia di km di quota può assicurare una protezione totale di tutti gli stati USA, ma è più facilmente saturabile perché a quelle quote è più difficile distinguere i veri bersagli dai decoys. Un sistema futuristico è quello basato su un laser chimico di potenza capace di distruggere un missile durante la sua fase di lancio. Un laser ossigeno-iodio montato sul muso di un Boeing 747 potrebbe colpire un missile a 300 km di distanza ed i laser hanno fatto dei grandi progressi dal tempo del programma SDI.
Science, 25 Jun 99, Vol. 284, pg. 2066 - Daniel Radov - Dal tempo di Louis Daguerre la fotografia cattura la realtà in due dimensioni. La fotografia stereoscopica e la tecnica degli ologrammi danno un’informazione tridimensionale degli oggetti, ma entro un limitato angolo di vista. Ora con la tecnica digitale ed applicando due diverse metodologie si potranno rappresentare realmente oggetti in tre dimensioni. Una metodologia è quella interferometrica usata in astronomia dove si raccolgono le onde elettromagnetiche provenienti dallo stesso oggetto con antenne diverse e si fanno interferire per ottenere mappe 2D più precise. La seconda metodologia è la tomografia con i raggi X per analizzare i corpi in profondità. Nel nuovo sistema l’oggetto tridimensionale viene fatto ruotare davanti ad un interferometro che raccoglie la luce proveniente da percorsi diversi e memorizza queste mappe bidimensionali con un array di rivelatori. Viene applicato quindi l’algoritmo di tomografia che analizza le proiezioni bidimensionali per costruire un set di immagini che rappresentano l’oggetto tridimensionale con una risoluzione migliore di 1 mm.
Science, 2 Jul 99, Vol. 285, pg. 91 - P. Chen - L’idrogeno è la sorgente ideale di energia nelle applicazioni con le batterie ricaricabili e le fuel cell, ma i metodi di accumulo sono pesanti e costosi. Ora sembra che l’uso di nanotubi di carbonio drogati con litio o potassio permette di assorbire dal 20 al 14% in peso di idrogeno a temperatura ambiente o moderata ed a pressione atmosferica. La densità di energia accumulabile è circa la metà di quella della benzina e molto più grande di quella ottenibile con gli idrti metallici o i crioassorbenti.
Science, 30 Jul 99, Vol. 285, pg. 687 - John A. Turner - Durante la crisi dell’energia degli anni ‘70 furono avviati programmi accelerati per lo sviluppo di sorgenti rinnovabili di energia; questi programmi furono riproposti modificati negli anni ‘80 per far fronte al rischio inquinamento ed al riscaldamento globale dovuto all’emissione di anidride carbonica. Gli Stati Uniti sono il più grande utente di energia nel mondo, circa il 50% del consumo totale. La maggiore sorgente di energia rinnovabile è quella fotovoltaica (PV) o delle celle solari, poi viene quella termica solare, il vento, le biomasse, quella idroelettrica, dell’oceano e la geotermica. L’energia del vento è quella che nel più breve tempo può diventare competitiva dal punto di vista del costo. Le biomasse sono una buona sorgenti di biogas e di metanolo ed etanolo. L’energia PV, per coprire l’intero fabbisogno degli USA, supposta un’efficienza del 10%, dovrebbe coprire una superficie di un quadrato avente 161 km di lato che è meno di 1/4 di quella occupata dalla rete stradale. Il maggiore inconveniente del PV è la sua intermittenza, un altro inconveniente è che attualmente è molto grande l’energia richiesta per la fabbricazione dei pannelli, pari a quella prodotta dagli stessi pannelli in 3-4 anni e ci si aspetta che si si riduca a 1-2 anni; nel caso del vento il recupero si ha in solo 3-4 mesi. Un sistema di energia rinnovabile richiede un sistema di accumulo basato sulla generazione dell’idrogeno ed il suo impiego con le fuel cell. Altre tecnologie di accumulo di energia sono le stazioni di pompaggio idrico, le batterie, volani, superconduttori, ultracapacità. Per i trasporti saranno sempre le fuel cell le sorgenti di energia elettrica e l’idrogeno potrebbe essere generato a bordo con un reformer (convertitore) dalla benzina o altro combustibile liquido. I costi delle fuel cell per essere applicabili alle automobili dovranno però scendere al di sotto di 50 US$/kW.
Science, 13 Aug 99, Vol. 285, pg. 995 - Alexander Hellemans - Circa 140 anni fa il chimico francese Georges Leclanché ha sviluppato la batteria a secco che porta il suo nome. Ora dallo Israel Institute of Technology di Haifa viene annunziato lo sviluppo di una nuova classe di batterie di maggiore capacità, maggiore rapidità di scarica ed anche ricaricabili. La differenza con quelle tradizionali sta nell’uso nel catodo di un composto detto “superferro” che assorbe più elettroni del biossido di manganese (MnO2), infatti questo si trasforma in sesquiossido di manganese (Mn2O3) e assorbe 2 elettroni mentre il ferro che si converte in ossido ferrico (Fe2O3) assorbe 3 elettroni. Le nuove batterie hanno una capacità 47% più alta delle precedenti e possono esssere ricaricate circa 400 volte. Per il momento è ancora sotto indagine la loro stabilità nel tempo, inizialmente bassa per la presenza di sostanze contaminanti nel ferro come nikel e cobalto.
Science, 5 Nov 99, Vol. 286, pg. 127 - C. Liu - L’uso dell’idrogeno come combustibile pulito viene limitato in gran parte dalla difficoltà di immagazzinaggio. Un mezzo promettente di accumulazione di idrogeno è quello dei nanotubi di carbonio, in particolare i Single Wall Nanotubes (SWNT) con un diametro medio di 1,85 nanometri, che possono essere sintetizzati facilmente con un metodo semicontinuo di scarica ad arco in atmosfera di idrogeno. La capacità di accumulo di idrogeno è di 4,2% in peso equivalente ad un rapporto atomi di idrogeno su atomi di carbonio di 0,52 e sotto una pressione di 100 atmosfere (10 megapascal).
Science, 19 Nov 99, Vol. 286, pg. 1507 - G. Steinmeyer - La possibilità di seguire fenomeni naturali di grande dinamica è limitata dalla risoluzione temporale degli strumenti. Otturatori meccanici permettono tempi del millisecondo e l’illuminazione stroboscopica fa arrivare al microsecondo. Gli oscilloscopi elettronici a campionamento portano il limite al picosecondo. Impulsi laser ultracorti estendono la risoluzione temporale di tre ordini di grandezza fino a 10 fs (1 femtosecondo = 10E-15 s) e permettono l’osservazione delle vibrazioni delle molecole. Alla fine degli anni ‘80 si erano ottenute durate degli impulsi con laser convenzionali di 27 fs e più tardi sono stati compressi a 6 fs; sono stati necessari altri 10 anni per ottenere gli stessi risultati con laser allo stato solido. Impulsi stretti si ottengono per compressione sfruttando l’effetto Kerr per il quale in un mezzo dielettrico l’indice di rifrazione cambia con l’intensità dell’onda eccitante, il cambiamento dell’indice di rifrazione provoca un ritardo temporale o sfasamento per la parte più intensa dell’impulso luminoso (Self Phase Modulation o SPM) e lo sfasamento all’interno dell’impulso aumenta la sua larghezza spettrale.Un opportuno dosaggio fra effetto di non linearità dell’indice di rifrazione e dispersione del mezzo, cioè dipendenza della velocità di propagazione con la frequenza (Group Delay Dispersion o GDD), permette un’efficace compressione. Nella maggior parte degli schemi non linearità e dispersione sono applicati successivamente, in altri la SPM sta nel loop di reazione dell’oscillatore, in altri ancora è tutto inserito nell’oscillatore.
Science, 17 Dec 99, Vol. 286, pg. 2275 - Randall Lutter - La presenza di microrganismi patogeni nei cibi provoca negli USA ogni anno migliaia di morti. Il metodo migliore per prevenire in massima parte queste perdite e le malattie che le producono è di usare l’irradiazione dei cibi, procedura che stata verificata sicura ed efficace. L’irradiazione della carne congelata, pesce, uova e carni precotte con 7 kGy (kilogray), una dose approvata dalla FDA (Food and Drug Administration), è in grado di eliminare in pratica i patogeni Escherichia Coli, Strafilococchi e Salmonella. La WHO (World Health Organization) non ritiene che vi siano rischi per i consumatori; ad alte dosi di irradiazioni si può avere una perdita di vitamine, ma non più di quella che si ha con la cottura e fino a dosi di 10 kGy non si hanno pericoli di tossicità. Nonostante questi vantaggi i regolamenti federali USA ammettono l’irradiazione solo per il pollame e per le spezie; lo US Department of Agricolture (USDA) limita l’irradiazione del pollame fino a 3 kGy con l’obbligo di un contrassegno. Le procedure per estendere il permesso agli altri cibi sono molto lunghe perché l’irradiazione è catalogata come “food additives” dalla FDA.
Science, 24 Mar 2000, Vol. 287, pg. 2135 - David Malakoff - La scorsa settimana è stata annunziata la fine del progetto Iridium di 5 miliardi di US$ per le comunicazioni dirette via satellite mediante una costellazione di 68 stazioni orbitanti. La decisione è stata motivata dall’alto costo dell’apparato mobile (3000 US$) e del collegamento (7 US$ al minuto). Gli astronomi hanno accolto con piacere questo fallimento perché il sistema interferiva con alcune bande di interesse astronomico, in particolare la frequenza di 1612 MHz emessa dai gas dove si formano le nuove stelle. Dopo lunghe trattative la compagnia si era impegnata a concedere un certo numero di ore di silenzio ogni giorno per i radiotelescopi e di risolvere il problema nella nuova generazione di satelliti. Ora il problema è caduto, ma gli astronomi sono diventati più vigilanti ed i ricercatori si stanno organizzando per proteggere le bande della radioastronomia nella prossima conferenza di maggio a Istanbul per l’allocazione delle frequenze. Anche l’astronomia ottica viene disturbata dai flash prodotti occasionalmente dai pannelli solari dei satelliti che molti astronomi amatori scambiano a volte per nuovi oggetti celesti.
Science, 7 Apr 2000, Vol. 288, pg. 80 - Gary Taubes - Biologi ed ingegneri stanno creando un nuova generazione di robot ispirati al comportamento degli animali. Tre robot sviluppati dalla Case Western Reserve University in Cleveland hanno sei gambe come le blatte, la coppia anteriore per muoversi intorno, quella centrale di dimensioni intermedie e quella posteriore più grande e forte per correre e saltare. Il terzo robot pesa 14 kg e si muove come una blatta, ma è legato ad una sorgente di energia esterna perché usa l’aria compressa; il prossimo robot porterà con lui la sua sorgente di energia. I progetti sono finanziati dal Dipartimento della Difesa, dalla DARPA e dall’Office of Naval Research (ONR). Lo scopo è di realizzare robot che possono andare dove non possono gli uomini e dove è pericoloso: la superficie di altri pianeti, edifici in fiamme, campi minati e campo di battaglia. Gli insetti a sei zampe o i ragni ad otto zampe hanno una migliore mobilità in tutte le direzioni, ma il robot risultante può anche essere diverso ispirandosi solo ai principi fondamentali prodotti dall’evoluzione. Il progetto coinvolge la collaborazione di scienziati del calcolatore, matematici, ingegneri elettrici e meccanici ed anche biologi e zoologi. Dallo studio del sistema nervoso di un semplice insetto è stato realizzato il modello software dei tre robot della Case Western. Altri biologi studiano anche come il sistema nervoso dell’aragosta controlla il movimento. Un altro campo è quello del volo degli insetti; le ali degli insetti sembra che generino una forza ascensionale due o tre volte maggiore di quella prodotta dall’aerodinamica convenzionale. Sono stati realizzati dei modelli di insetti che emettono del fumo dalle ali in modo da visualizzare il flusso dell’aria intorno alle ali, ma negli esperimenti si deve tenere conto della viscosità del mezzo che è in relazione alle dimensioni dell’insetto. Si è capito così che nel volo degli insetti agiscono tre forze non convenzionali prodotte da: un vortice spiraliforme di stallo ritardato, la rotazione delle ali e la cattura della scia, ma ci vorranno ancora molti anni prima di realizzare un robot volante come un insetto e la tecnologia ancora da sviluppare è straordinariamente innovativa. Anche la propulsione dei pesci ha molti segreti, il tonno ad esempio è un campione nel nuoto su lunghe distanze e si pensa che abbia la capacità di sfruttare le forze che si creano intorno a lui. Anche il luccio è un pesce molto agile, rapido a partire ed a girarsi e ciò viene realizzato generando e sfruttando i vortici prodotti piegando il corpo. Se si compara anche un delfino con un piccolo sottomarino tutta la differenza sta nella rapidità con cui il delfino si gira. Si stanno realizzando modelli di pesci per studiare e riprodurre il moto di quelli reali. Fra 50 anni l’ammontare di tecnologia prodotta da questo tipo di progetti sarà come quella derivata dai programmi spaziali, ma con costi minori.
Science, 16 Jun 2000, Vol. 288, pg. 1944 - Robert F. Service - Le celle a combustibile rappresentano una soluzione favorita per la produzione di energia pulita. Esse generano energia elettrica dai combustibili fossili senza bruciarli e senza diffondere sostanze inquinanti, ma le tecnologie per la loro applicazione pratica sembrano ancora di là da venire. La maggior parte delle versioni di celle a combustibile funziona con idrogeno puro difficile da immagazzinare e pericoloso da trasportare. I ricercatori hanno però fatto dei passi importanti per sviluppare celle a combustibile commerciali che estraggono elettricità da gas naturali ed altri combustibili fossili. Le celle ceramiche, note come solid oxide fuel cells (SOFC) raggiungono lo scopo convertendo gli idrocarburi in idrogeno all’interno della cella; questo richiede alte temperature e quindi costosi materiali resistenti al calore. Una nuova generazione di SOFC evita il processo di reforming convertendo direttamente gli idrocarburi in elettricità. Sembra di essere ad una svolta e sistemi dimostrativi capaci di fornire elettricità a più di 200 abitazioni hanno dimostrato di essere fra i generatori più efficienti. Le SOFC funzionano in modo opposto alle celle a idrogeno; qui è l’ossigeno dell’aria che acquista elettroni sul catodo creando degli ioni negativi, questi ioni migrano attraverso una membrana ceramica che si fa attraversare, yttria-stabilized zirgonia (YSZ), e, arrivati sull’anodo, reagiscono con gli idrocarburi decomposti in monossido di carbonio ed idrogeno per catalisi alla temperatura di funzionamento producendo elettricità, acqua ed anidride carbonica. Per ridurre la temperatura di funzionamento a 600 °C la membrana YSZ è stata portata ad uno spessore di 5 micron ed anche l’anodo di nickel è stato ricoperto con un ossido di cerio. In una versione sviluppata dai giapponesi ossigeno ed idrocarburi vengono pompati in un’unica camera dove si trovano gli elettrodi e la membrana elettrolita di diossido di cerio è depositata su un anodo di nickel. La Siemens Westinghouse, dopo 3 decenni di migliorie ha messo sul mercato un sistema con reforming che trasforma il gas naturale in idrogeno per le fuel cells e sfrutta anche i gas esausti caldi in una turbina portando il rendimento totale al 60%. Negli USA il DOE ha lanciato ora un programma per commercializzare le fuel cells entro 10 anni con una spesa di 35 milioni di US$ l’anno.
Science, 11 Aug 2000, Vol. 289, pg. 879 - Douglas B. Chrisey - Le tecnologie di scrittura diretta si stanno affermando nella costruzione di strutture senza l’uso di maschere realizzando più rapidamente i prototipi. Man mano che materiali e procedure migliorano aumentano le applicazioni. Si realizzano componenti elettronici passivi ed interconnessioni anche con biomateriali. Le tecniche usate per trasferire il materiale di scrittura diretta includono il plasma spray, la deposizione di particelle guidata da laser, la matrix-assisted pulsed-laser evaporation (MAPLE), il laser chemical vapor deposition (CVD), la micropenna, lo ink jet, lo e-beam, il fascio di ioni focalizzato e diversi nuovi sistemi di microdispensatori a liquidi o gocce. Un problema comune a tutte le tecniche è la dipendenza da materiali di partenza ad alta qualità con caratteristiche particolarmente calibrate (viscosità, densità e tensione superficiale). Questi materiali, detti “paste” o “inchiostri”, consistono di combinazioni di polveri, nanopolveri, scaglie, leganti, solventi, tensioattivi. Questi materiali sono usati come conduttori, resistori, dielettrici e devono essere depositati a bassa temperatura, oggi da 300 a 400 °C. La deposizione di particelle guidata dal laser è adatta a qualsiasi materiale su ogni substrato con un’accuratezza di scala micrometrica ed il processo si applica anche al deposito di cellule viventi che rimangono vitali. Si possono così creare strutture tridimensionali di cellule viventi, proteine, tratti di DNA e anticorpi e fabbricare biosensori con interfaccia elettronica per esempio per rivelare i segnali intercellulari. Queste tecnologie offrono l’opportunità di fabbricare sistemi elettronici flessibili e coltivare cellule singole anche cancerogene. I futuri miglioramenti tenderanno a ridurre la temperatura dei processi e ad aumentare la densità ed il legame delle particelle.
Science, 13 Oct 2000, Vol. 290, pg. 246 - Robert F. Service - Nove anni fa i ricercatori giapponesi hanno scoperto che gli atomi di carbonio possono assiemarsi in sottili tubi con strane caratteristiche. I nanotubi di carbonio sono più resistenti dell’acciaio e possono comportarsi da conduttori o semiconduttori. Le loro vaste applicazioni sono impedite dal costo attuale che è di 2000 US$ al grammo. Tuttavia la scorsa settimana i ricercatori della Rice University di Huston hanno riferito di un processo chimico capace di produrre i single-walled nanotubes (SWNT) in quantità dell’ordine del chilogrammo. La sintesi avviene in fase gassosa in presenza di un catalizzatore a base di ferro. Il costo così si ridurrà, ma rimane sempre maggiore dell’oro. La scorsa settimana si è costituita una nuova compagnia: la Carbon Nanotechnolgies Inc. per commercializzare la produzione degli SWNT e finalmente il prodotto potrà passare da una curiosità di laboratorio ad un materiale utilizzabile, forse successore della plastica.
Science, 15 Dec 2000, Vol. 290, pg. 2047 - Robert F. Service - Ricercatori dell’università del Massachusetts e del Los Alamos National Laboratory stanno sviluppando una nuova tecnica per produrre memorie magnetiche circa 300 volte più capaci delle attuali, fino a un terabit per centimetro quadrato. Si è trovato un materiale plastico, detto copolimero, che in soluzione ha la proprietà di autosegregazione disponendosi, sotto l’azione di un campo elettrico, secondo un array ordinato di cilindri forati e orientati verso l’alto. Riempiendo i fori di questi cilindretti con materiale magnetico si ottengono gli elementi di memoria. Si possono controllare le dimensioni dei cilindretti da 13 a 130 nanometri.
Science, 26 Jan 2001, Vol. 291, pg. 599 - Juyang Weng - Fino ad oggi i criteri per creare una macchina intelligente hanno seguito tre strade. La prima è quella basata sulla conoscenza e la macchina viene programmata direttamente in laboratorio per adempiere un compito preciso; la seconda segue il criterio dell’apprendimento con un programma di apprendimento orientato al compito; la terza strada è quella della ricerca genetica nella quale il robot si evolve lungo più generazioni secondo il principio della sopravvivenza del più adatto in un mondo simulato al computer. Queste strade tradizionali hanno portato al nuovo indirizzo detto “sviluppo mentale autonomo” basato cioè su un programma di sviluppo che interagisce con l’ambiente usando i propri sensori ed attuatori; una vera macchina intelligente richiede uno sviluppo mentale autonomo. Il robot viene progettato per vivere in un certo ambiente (terrestre o marino), si crea un programma di sviluppo e con questo il robot inizia ad interagire con il mondo esterno. Il programma non può essere orientato a compiti specifici perché i compiti sono sconosciuti al momento della programmazione ed il robot deve essere capace di compiere qualsiasi compito e capace di generare automaticamente la rappresentazione di un compito sconosciuto. Un processo di sviluppo mentale deve essere un processo aperto e cumulativo capace di acquisire conoscenze ed abilità dalle più semplici alle più complesse con la supervisione di un umano. I prototipi di robot vengono lasciati liberi in un ambiente quindi si mostra a loro un oggetto per farglielo riconoscere, prendere e ritrovarlo, si possono poi incoraggiare e scoraggiare certi comportamenti con dei pulsanti “good” e “bad”. Il mondo visivo ad esempio è molto complesso e con i principi dello sviluppo autonomo se ne devono cogliere le caratteristiche statistiche principali piuttosto che aspetti precisi e lo stesso si deve fare con la parola ed il linguaggio per sviluppare così il senso del mondo che ci circonda. Questo tipo di programmi richiede collaborazione interdisciplinare ed essi avranno un impatto profondo anche nelle scienze umane.
Science, 2 Feb 2001, Vol. 291, pg. 851 - Yi Cui and Charles M. Lieber - La miniaturizzazione dell’elettronica al silicio ha i suoi limiti nella litografia che ha dei limiti alle dimensioni dei nanometri. Si possono utilizzare strutture mono-dimensionali come i nanowires (NW) ed i nanotubi di carbonio (NT) per la realizzazione di blocchi costruttivi per la nanoelettronica perché funzionano sia come dispositivi elettronici sia come fili di collegamento. Gli NT possono realizzare transistori field-effect ed a singolo elettrone e diodi, ma attualmente non è possibile l’accrescimento selettivo e/o l’assiemaggio di NT semiconduttori o metallici. Con i NW invece è possibile controllare la concentrazione dei portatori di carica durante l’accrescimento usando drogaggio con fosforo e boro. Sono state sintetizzate giunzioni pn e np con accrescimento catalitico assistito dal laser, si sono ottenuti diodi con buone caratteristiche di rettificazione e quindi transistor bipolari con doppia giunzione.
Science, 9 Feb 2001, Vol. 291, pg. 973 - Olaf Fritsche - Entro questa primavera una compagnia tedesca chiamata Zeppelin Luftschifftechnik vuole lanciare una nuova linea di dirigibili per portare turisti in Germania ed altri paesi d’Europa. Il progetto Zeppelin NT (New Technology) utilizza nuovi materiali e tecnologie, alluminio, fibre di carbonio e plastica e riempimento in elio. Il prototipo ha già completato 800 ore di prove di volo e si pensa che abbia diversi campi di applicazioni oltre il turismo, ad esempio come piattaforma per misure scientifiche per le quali un aereo sarebbe troppo veloce, e per l’osservazione dell’atmosfera, migrazione dell’inquinamento e gas serra. Altro impiego è il trasporto da punto a punto di materiali pesanti, come una gru volante, fino a 160 tonnellate. La compagnia prevede di dover costruire fino a 50 di questi dirigibili entro i prossimi 15 anni.
Science, 24 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1429 - Random Samples - Helios è un’ala volante della NASA spinta da 14 piccoli motori e alimentata da batterie solari. Il prototipo ha completato una prova di volo di un giorno raggiungendo l’altezza record per aerei non a reazione di 30000 m, tre volte la normale quota di volo dei jet commerciali. Helios ha la forma di un’ala lunga 75 m e pesa 600 kg. Si tratta di un modello economico di satellite atmosferico per raccolta dati e telecomunicazioni, fornirà inoltre informazioni aerodinamiche sul volo in atmosfera rarefatta che potrebbero un giorno essere utili su Marte. Sono ancora da perfezionare le fuel cells per accumulare energia per il volo notturno.
Science, 21 Sep 2001, Vol. 293, pg. 2217 - S. W. Koch and A. Knorr - L’applicazione dell’ottica alla microscopia è limitata dalla risoluzione delle lunghezze d’onda del visibile. L’invenzione del near-field scanning optical microscopy (NSOM) ha permesso di superare questi limiti. Le misure ottiche su scala nanometrica richiedono una sorgente luminosa puntiforme di dimensioni nanometriche. Con lunghezze d’onda di alcune centinaia di nanometri ciò non è possibile perché la risoluzione è ristretta a dimensioni delle metà della lunghezza d’onda. Il sistema NSOM funziona invece nel regime dell’ottica near-field con aperture nanometriche ed a distanze dall’oggetto di frazioni di lunghezza d’onda ove agiscono le onde evanescenti. Le onde che attraversano il sottile campione sotto prova vengono raccolte durante la scansione e processate per ottenere uno spettro. Il tutto opera a 4 K per ridurre il rumore e come segnale luminoso si usa la combinazione di due sorgenti coerenti la cui frequenza differisce di 20 kHz.
Science, 30 Nov 2001, Vol. 294, pg. 1805 - Yudhijit Bhattacharjee - Da più di 10 anni gli scienziati hanno catturato la fase di rottura dei legami chimici fra gli atomi con i più rapidi impulsi laser aventi una durata di pochi femtosecondi (1 femtosecondo = 10E-15 s), ma la rottura di un legame chimico è in fenomeno assai lento se paragonato all’attività degli elettroni all’interno di un atomo che saltano fra i livelli di energia in meno di 1/5 di femtosecondo. In questo caso sono necessari impulsi laser della durata di centinaia di attosecondi (1 attosecondo = 10E-18 s). Questa settimana la rivista Nature riporta che sono stati prodotti impulsi di raggi X lunghi 650 attosecondi e con questi i ricercatori hanno seguito la transizione fra livelli energetici di elettroni in un gas di atomi con una risoluzione di 150 attosecondi, questo apre la porta allo studio dei processi all’interno di atomi e molecole. All’università di Vienna è stato realizzato l’impulso di raggi X inviando un intenso fascio laser in un gas neon che ha prodotto fotoni X a diverse frequenze, questi si sono combinati interferendo e lasciando uno spike estremamente stretto e, poiché il fascio laser era isolato, anche lo spike era singolo. Per misurare la durata dell’impulso X, questo ed il fascio laser che lo ha prodotto sono stati inviati in una camera con gas krypton. L’eccitazione degli elettroni prodotta dal fascio laser si combina con quella dell’impulso X modulandone l’energia cinetica in funzione della relazione di fase fra i due impulsi e, variando il ritardo di fase, si è trovato che l’impulso X durava 650 attosecondi ed il tempo di rilascio degli elettroni del krypton era 150 attosecondi.
Science, 18 Jan 2002, Vol. 295, pg. 426 - David Malakoff and Robert F. Service - La scorsa settimana il Segretario dell’Energia Spencer Abraham ha annunziato che il programma di Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) promosso 8 anni fa dall’Amministrazione Clinton per costruire auto superefficienti (36 km per litro di benzina) verrà convertito per la costruzione di veicoli basati su celle a combustibile alimentate ad idrogeno. Il vecchio progetto aveva fatto progressi nell’uso di materiali leggeri, nelle batterie a più lunga durata e nei motori ibridi elettrici ed a gas o diesel (Toyota e Honda stanno già producendo queste macchine). Il nuovo veicolo annunziato da Abraham con il nome di Freedom Car viene approvato dagli ambientalisti, ma preoccupa i sostenitori del vecchio progetto che doveva portare risultati e benefici a breve termine mentre il nuovo programma richiede ancora decenni. Le fuel cells richiedono miglioramenti ai materiali, come le membrane in polimero, ed al sistema elettrico; una grossa parte del progetto riguarda i modi più efficienti per generare l’idrogeno e per immagazzinarlo. Uno dei maggiori problemi sarà quello di sostituire tutte le infrastrutture di distribuzione della benzina con una rete di stazioni di rifornimento ad idrogeno. Il costo del progetto non sarà noto fino al 4 febbraio quando il Presidente invierà al Congresso le richieste del budget 2003.
Science, 12 Apr 2002, Vol. 296, pg. 246 - Adrian Cho - Un calcolatore che mantiene le informazioni della sua memoria di lavoro anche quando si interrompe l’alimentazione potrebbe entrare nel mercato fra due anni. Questo sarà grazie alle memorie ad accesso casuale magnetorestrittive (MRAM) che potranno anche rivoluzionare tutta l’elettronica. La tecnologia delle MRAM è infatti compatibile con quella standard dei chip al silicio e questo permetterà di realizzare computer in un solo chip. Naturalmente non si sa quando le MRAM potranno essere competitive con le attuali DRAM (Dynamic Random Access Memory) che costano attualmente pochi decimi di cents per megabit. Attualmente i computer memorizzano in modo permanente le informazioni negli hard disk e questo rallenta le operazioni di accensione. Nel 1988 i fisici hanno scoperto un effetto chiamato gigantic magnetoresistance (GMR) in un sandwich formato da uno strato di materiale non magnetico fra due strati di materiali magnetici. La resistenza di attraversamento del sandwich è bassa quando i due strati esterni sono magnetizzati parallelamente nella stessa direzione mentre aumenta drasticamente quando sono magnetizzati in senso opposto. Nel 1996 il DARPA (Defence Advanced Research Agency) ha finanziato IBM, Motorola, Honeywell e le università per sviluppare nuovi sistemi e materiali magnetici ed i risultati non si sono fatti attendere. La ricerca si è orientata sulle giunzioni tunnel magnetiche realizzando lo strato intermedio con ossido di alluminio con spessore di pochi atomi e sfruttando l’effetto quanto meccanico. L’elemento di memoria è costituito da uno strato magnetizzato fisso, dalla barriera tunnel e da un altro strato che viene magnetizzato dalla combinazione delle correnti che passano sulle due barre a 90 gradi comuni all’intera griglia di memoria. Le barre superiori sono dette bit lines, quelle inferiori word lines ed il bit si trova all’incrocio fra due barre. Nella scrittura si fa passare nelle due sbarre una corrente sufficiente a forzare la magnetizzazione dello strato magnetico superiore, nella lettura si legge la corrente che attraversa il bit di memoria. Il costo delle MRAM sarà inizialmente superiore a quello delle memorie tradizionali e per lanciarle sul mercato sarà necessario trovare delle applicazioni che offrono vantaggi tali da giustificarne il maggior costo, quindi il primo impiego sarà nelle comunicazioni radio, nei sistemi portatili e nelle applicazioni automotive.
Science, 17 May 2002, Vol. 296, pg. 1222 - Robert F. Service - I futuri sistemi elettronici portatili diventano sempre più potenti, ma rischiano di perdere in autonomia se non si migliorano le batterie chimiche ricaricabili che hanno però raggiunto il loro limite tecnologico. La novità sta ora nel tentativo di commercializzare le nuove micro fuel cells, dispositivi che convertono direttamente combustibili chimici, come idrogeno o metanolo, in elettricità. Questi dispositivi promettono di raggiungere un’autonomia 10 volte quella di una batteria ricaricabile e le fuel cells possono essere ricaricate istantaneamente aggiungendo il combustibile. Sono in competizione compagnie come la Motorola, Samsung e la Manhattan Scientific e si aspetta la prima commercializzazione entro i prossimi 2 anni. Entro il 1007 molti esperti credono che questo tipo di batterie sostituirà sistematicamente i sistemi ricaricabili convenzionali. Da anni le maggiori compagnie sono in competizione per le grandi celle a combustibile per le automobili e come generatori fissi di case ed uffici per i quali c’è un enorme mercato potenziale, ma anche per le micro fuel cells c’è un mercato non indifferente se si guarda a quello attuale delle batterie ricaricabili che è di 5 miliardi di US$ all’anno, anche se si riesce a catturarne solo una parte. Il metanolo che è il combustibile preferito, fornisce in 30 grammi circa 80 wattora di elettricità da confrontare con i 7 wattora di una batteria di un telefono cellulare. I problemi sono la miniaturizzazione il costo e la sicurezza; le fuel cells usano catalizzatori con metalli preziosi costosi, devono essere confezionati in modo da proteggersi dal combustibile infiammabile e sono ancora lontani dall’essere affidabili. La reazione ha luogo in una camera contenente due elettrodi separati da un elettrolita, il combustibile contenente idrogeno viene iniettato presso l’elettrodo negativo (anodo) dove un catalizzatore strappa gli elettroni che circolano poi nel circuito esterno, gli ioni di idrogeno prodotti attraversano l’elettrolita, arrivano all’elettrodo positivo (catodo) dove si combinano con l’ossigeno dell’aria e gli elettroni di ritorno formando acqua in forma di vapore. Se si usa il metanolo al posto dell’idrogeno, il catalizzatore deve strappare al metanolo gli atomi di idrogeno e non è facile fare lavorare la cella ad alta efficienza. Per confinare il metanolo vicino all’anodo si usano membrane ad esso poco permeabili. NEC e Sony usano per le membrane i fullereni, la Motorola studia la realizzazione di un reformer in miniatura che estrae l’idrogeno dal metanolo e che dovrebbe essere realizzato stampato come un microchip. I costi dovrebbero scendere con la produzione di massa.
Negli organismi viventi la natura sfrutta gli enzimi per estrarre energia da composti come lo zucchero. Si stanno studiando celle a biocombustibile che utilizzano il glucosio e che forniscono 600 nanowatt sufficienti ad alimentare circuiti microelettronici al silicio. Queste celle usano dei catalizzatori ai due elettrodi: all’elettrodo negativo (anodo) l’enzima glucose oxidase per strappare atomi di idrogeno al glucosio e rilasciare elettroni, ed all’elettrodo positivo (catodo) l’enzima laccase per ricombinare gli ioni idrogeno con l’ossigeno e gli elettroni producendo acqua. L’impiego futuro di queste celle è quello di alimentare sensori da impiantare all’interno del corpo umano per monitorare ad esempio il livello del glucosio nel sangue nei diabetici o la presenza di altri indicatori chimici delle malattie dal cuore al cancro.
Science, 18 Oct 2002, Vol. 298, pg. 514 - Mark Sincell - Un team dell’università di Tel Aviv ha sviluppato un trapano che usa l’energia a microonde per forare i solidi. Il sistema è silenzioso, senza parti in movimento e non produce polveri. Un altro sistema che usa radiazioni elettromagnetiche è quello con fascio laser focalizzato che può produrre fori fino a un micrometro in ogni materiale, ma si tratta di un dispositivo molto costoso. Il sistema a microonde è invece molto più economico e porta l’energia su un cavo coassiale sulla superficie da forare. I diametri vanno da un millimetro a un centimetro su materiali come ceramiche, cemento, basalto, vetro, e silicio, ma non devono essere conduttori.
Science, 18 Jul 2003, Vol. 301, pg. 305 - David W. Keith and Alexander E. Farrell - Recentemente il Presidente Bush ha lanciato l’iniziativa del FreedonCAR per l’uso diretto dell’idrogeno nelle automobili con un finanziamento di 1,7 miliardi di US$ in 5 anni. Vale la pena però affrontare il problema in una visione strategica a lungo termine che è in contrasto con l’uso delle automobili ad idrogeno. L’introduzione di un nuovo carburante per i trasporti è un’avventura rara, difficile ed incerta perché richiede la contemporanea introduzione di un sistema di distribuzione e nuovi veicoli e nessuno dei due è utilizzabile senza l’altro. Un’infrastruttura per l’alimentazione ad idrogeno, anche se fattibile, è costosa ed il costo iniziale è valutato a 5000 US$ per veicolo anche su grande scala ed anche le nuove macchine sono più costose. Come l’elettricità, l’idrogeno è un veicolo di energia e deve essere prodotto da una sorgente primaria di energia. Oggi l’idrogeno viene prodotto dai gas naturali su larga scala ed a basso costo e negli USA consuma circa il 2% delle fonti di energia. L’idrogeno costa meno della benzina per unità di energia, ma è costoso il trasporto, l’immagazzinaggio e la distribuzione; questo è il suo svantaggio come carburante per i veicoli. L’idrogeno offre tre principali vantaggi: brucia senza inquinare e può essere usato nelle fuel cell, non emette anidride carbonica quando brucia, può essere prodotto da fonti diverse è può ridurre la dipendenza dal petrolio. Se il problema attuale è quello di ridurre sostanzialmente l’emissione di CO2 è necessario verificare la fattibilità di una CO2 capture and storage (CCS), se questa è possibile, poiché è più economico produrre l’idrogeno dal carbone fossile e dai gas, risulta anche più facile catturare la CO2 dalla linea di produzione dell’idrogeno che da quella delle centrali elettriche a carbone o a gas perché disponibile ad una pressione parziale più alta. Anche così il costo di una riduzione della CO2 affidato al trasporto ad idrogeno sarebbe eccessivo per il costo dei veicoli e delle infrastrutture. Se poi la procedura CCS si dimostrasse impraticabile, l’idrogeno dovrebbe essere prodotto da fonti non inquinanti e sarebbe molto più costoso. In ogni caso risulta più costo-efficace ridurre l’emissione di CO2 direttamente nelle centrali elettriche piuttosto che usare veicoli ad idrogeno e per molti decenni sarà più costo-efficace ridurre l’emissione di CO2 dei veicoli convenzionali aumentandone l’efficienza. Uno studio della National Academy of Science ha concluso che un aumento nell’economia di combustibile dal 12 al 42% nei veicoli leggeri li ripagherebbe in termini di tempo di vita e minor costo di combustibile consumato anche escludendo i vantaggi dei diesel e degli ibridi. Migliorare l’efficienza nell’uso dei combustibili riduce il consumo e l’emissione di CO2, altri risparmi sono possibili mediante l’uso strategico delle riserve di petrolio e l’uso di sostituti del petrolio. Molte nazioni mantengono riserve di petrolio, gli USA ne hanno per 50 giorni di importazione, ma l’uso di queste riserve è usato in modo inefficace, solo per una mal definita emergenza e non per limitare i picchi del prezzo. I sostituti del petrolio includono i combustibili idrocarburi sintetici derivati dal carbone o dalle biomasse inclusa la cellulosa, il bioetanolo ed il biodiesel. La produzione di combustibile sintetico dal carbone produce CO2, ma come per l’idrogeno l’uso della CCS risolverebbe il problema perché è più facile catturare la CO2 da un impianto di combustibile sintetico come attualmente si fa nella trasformazione da carbone a gas. Questi sostituti dell’idrogeno sono competitivi in costo con l’idrogeno e possono essere introdotti rapidamente perché usano le stesse infrastrutture degli altri combustibili con minori rischi dell’idrogeno. L’emissione globale della CO2 deve diminuire di un ordine di grandezza per stabilizzare la sua concentrazione nell’atmosfera. Per una politica ottimale del clima, per stabilizzare la concentrazione della CO2 sotto il doppio di quella preindustriale, l’emissione deve essere ridotta più del 30% sotto la sua normale crescita fin dopo il 2040 e il puntare su una riduzione nelle automobili non è fra le strategie più economiche. Le automobili ad idrogeno vanno viste come opzioni a lungo termine e non di applicazione immediata. Se si vuole introdurre l’idrogeno nel settore dei trasporti ci si deve orientare ai trasporti pesanti come grandi autocarri, treni e navi che hanno grandi emissioni e richiedono meno infrastrutture. Strategie a breve termine contro inquinamento, cambiamenti climatici e dipendenza dal petrolio vanno orientati sulla generazione di elettricità, trasporti pesanti, riserve strategiche del petrolio, aumento di efficienza e sostituti del petrolio.
Science, 15 Aug 2003, Vol. 301, pg. 909 - Robert F. Service - La ricerca sull’elettronica e sui materiali tessili sta per rivoluzionare la moda ed insieme il campo delle comunicazioni, della medicina, della pubblicità e perfino della guerra. Alcune di queste applicazioni stanno già per essere messe sul mercato. Una compagnia della Georgia sta creando una camicia per monitorare il corpo dei pazienti ed allertare i medici. I militari pensano di applicare sulle tute una rete di sensori collegati via radio per identificare la direzione di avvicinamento dei nemici ed una compagnia tedesca sta creando un tappeto con sensori capaci di rivelare un’intrusione o il fuoco. La Du Pont stima che tra 5 anni i tessuti per monitorare lo stato dei pazienti avranno sul mercato un valore di 0,1-1,0 miliardi di US$. I ricercatori devono intanto trovare il modo di integrare in queste stoffe (e-textile) fili abbastanza resistenti per sopportare piegature, torsioni e trazioni e per collegare l’elettronica in modo che siano indistinguibili dai normali tessuti. Nei tessuti per uso medico i sensori controlleranno il respiro, la temperatura ed il battito cardiaco e nel futuro forse il livello di glucosio nel sangue e si potranno inserire e disinserire per lavare il tessuto. In campo militare sensori acustici controllati a distanza verranno correlati per calcolare il tempo di arrivo di suoni e quindi la loro direzione e distanza di provenienza. Le antenne dei sistemi di comunicazione possono essere integrate nelle vesti e, sulle maniche degli abiti, possono essere integrati keyboard e pulsanti per i controlli di varie apparecchiature. Celle solari flessibili potranno essere incorporate sulle tende e sulle stoffe come addizionali sorgenti di potenza.. Nella moda e nella pubblicità si possono usare inchiostri con colori termici, scaldati da fili che possono creare combinazioni cangianti di colori. L’integrazione di fili conduttori deve garantire la ridondanza dei collegamenti. Il problema maggiore dell’elettronica da indossare è però l’alimentazione. La società IPS (Infinite Power Solution) del Colorado produce batterie al litio spesse micrometri, in pratica dipinte su un foglio metallico, ed incorporati nei sensori. Un’altra soluzione prevede batterie in forma di fibre con anodo, catodo ed elettrolita che si possono integrare direttamente nei tessuti.
Science, 13 Feb 2004, Vol. 303, pg. 942 - Adrian Cho - Un dispositivo inserito intorno all’iniettore del gas può trasformare in modo semplice l’etanolo prodotto dai cereali nel gas idrogeno permettendo l’uso di un combustibile liquido di facile trasportabilità. Ci sono molti dispositivi per trasformare gas naturali miscelati a vapore acqueo in idrogeno, ma i gas fossili non sono rinnovabili ed il processo produce anidride carbonica. L’idrogeno prodotto dall’etanolo derivato da biomasse ricicla l’anidride carbonica già presente nell’aria e le tecniche precedenti richiedevano una sorgente di calore esterna ed erano più adatte per produzioni su grande scala. Con il dispositivo proposto si brucia parte dell’etanolo per produrre il calore necessario alla reazione e l’idrogeno si potrebbe usare un giorno per generatori portatili con fuel cell nelle automobili elettriche. Il dispositivo è semplice; una soluzione di etanolo ed acqua passa con un iniettore in una camera riscaldata, vaporizza e si mescola con aria. La miscela passa attraverso un filtro di ossido di alluminio poroso coperto con ossido di rodio e di cesio che catalizza la reazione e converte etanolo, acqua ed ossigeno in idrogeno ed anidride carbonica. La reazione riscalda il catalizzatore a 700 °C mantenendo il processo. Si riesce a convertire più del 95% di etanolo in idrogeno e la miscela rimane in contatto con il catalizzatore per meno di 10 millisecondi permettendo la conversione veloce di grandi quantità di etanolo. Il lato negativo è che il processo genera in quantità anche dell’ossido di carbonio che non è tollerato dalle fuel cell se supera poche parti per milione; altro problema è che il rodio è un catalizzatore molto costoso. Nonostante queste limitazioni il sistema potrebbe trovare uso per il momento in piccoli generatori che usano fuel cell meno esigenti e la tecnologia potrebbe migliorare.
Science, 30 Apr 2004, Vol. 304, pg. 675 - Robert F. Service - L’elettronica di plastica è un grande affare ed i giganti dell’elettronica in Giappone, Europa e Nord America spingono molto su questa tecnologia per rendere sempre più economica l’elettronica a stampa in applicazioni come le carte intelligenti, le piastrine di riconoscimento (ID) ed i circuiti di pilotaggio per grandi schermi monitor. I ricercatori hanno mostrato che questi dispositivi si possono realizzare con materiali che già esistono, ma fra i dettagli critici c’è il fatto che la maggior parte dei materiali di elettronica plastica che possono essere stampati con un liquido, che è il modo più economico di fabbricazione, sono instabili all’aria e si degradano rapidamente. Uno scienziato della Xerox ha affermato di aver ottenuto una versione stabile di semiconduttori, conduttori e isolanti stampabili, i tre componenti elettronici essenziali, ma non ha dato una descrizione completa perché la Xerox vuole brevettare i suoi materiali. Ha rivelato solo che il conduttore è un materiale organico-inorganico ibrido con una conducibilità 100000 volte più alta dei materiali plastici convenzionali e l’isolante è un polimero organico stabile all’aria e tre volte migliore dei materiali convenzionali. La Xerox ha usato una stampante a getto di inchiostro per creare la sua rete di semiconduttori e di transistor che funzionano e vuole allo stesso modo stampare conduttori ed isolatori e produrre così un’elettronica con la tecnica delle fotocopie.
Science, 21 May 2004, Vol. 304, pg. 1114 - Leonardo Maugeri - Dopo la prima guerra mondiale gli Stati Uniti furono scossi dalla previsione dell’esaurimento dei propri giacimenti di petrolio. L’US Geological Survey (USGS) ed altri emisero il verdetto che la nazione avrebbe finito il petrolio entro 9 anni. Di fronte alla crescente isteria il Presidente Coolidge emise una legislazione per preservare le riserve nazionali. Anche la Gran Bretagna, dopo la conversione della sua flotta dal carbone al petrolio nel 1914, si sentì vulnerabile e si mosse per assicurarsi le forniture del Golfo Persico. Cicli di isteria ed ottimismo si sono susseguiti fino ad oggi. L’effetto peggiore di questo panico da petrolio è che ha portato l’Occidente all’imperialismo del petrolio per assicurarsi il controllo diretto o indiretto dei paesi produttori, ma il mondo non sta per esaurire il petrolio. Il modello attuale è ancora quello di K.H. Hubbert basato su diverse assunzioni. La prima è che ora la struttura geologica del pianeta è ben nota ed è improbabile la scoperta di nuovi giacimenti. La seconda è che con una produzione basata su migliaia di campi diversi per capacità si può applicare il teorema del limite centrale delle probabilità per il quale la produzione avrà un andamento gaussiano. La produzione partendo da zero raggiungerà un massimo quando si sarà estratta la metà delle risorse e quindi la produzione diminuirà con la stessa pendenza con cui è salita. L’ipotesi di Hubbert non tiene conto della natura dinamica della produzione, delle riserve, delle tecnologie e dell’effetto del rapporto costo/prezzo per cui la produzione subisce grandi discontinuità e le previsioni sono state riviste parecchie volte. In realtà bisogna fare una distinzione fra risorse e riserve. Le risorse sono gli stock di petrolio presenti fisicamente senza associare loro una stima economica, le riserve o riserve provate includono invece una valutazione economica e di utilizzabilità pratica. Si verifica il fenomeno dell’aumento delle riserve e spesso questo aumento è stato maggiore del consumo a causa di fattori come le tecnologie, il prezzo, le decisioni politiche e la migliore conoscenza dei campi esistenti. Questo spiega perché la previsione di disponibilità è passata da 20 anni nel 1948 a 35 anni nel 1972 fino ai 40 anni del 2003. La stima delle riserve provate è di un trilione (10E12) di barili con un consumo annuo di 28 miliardi di barili e le risorse sono di 3 trilioni di barili. Attualmente i maggiori paesi produttori non investono in nuove campagne di esplorazione e producono solo da pochi campi nel timore di creare un eccesso di disponibilità. In altri paesi, chiusi agli investimenti stranieri, tecniche e tecnologie usate sono obsolete. La sostituzione del petrolio è attualmente solo un problema di costo e di necessità del mercato e non di scarsità.
Science, 13 Aug 2004, Vol. 305, pg. 958 - Robert F. Service - Il passaggio dai combustibili fossili all’idrogeno nei trasporti potrebbe ridurre la dipendenza dal petrolio e la produzione di gas serra che provocano il cambiamento climatico. Con questa idea Stati Uniti, Unione Europea, Giappone ed altri governi hanno dedicato miliardi di dollari alle iniziative dell’idrogeno per dare impulso alle sue tecnologie e spingerlo nel mercato. Il problema è che la scommessa di un’economia dell’idrogeno è un obiettivo a lungo termine. Recenti studi della U.S. National Academy of Science (NAS) e dell’American Physical Society (APS) concludono che i problemi di produzione e stoccaggio dell’idrogeno, la sua conversione in elettricità, la sua distribuzione ed i problemi di sicurezza impediscono un cambiamento generalizzato ed il risolverli insieme tutti è un’impresa titanica. Il risultato è che questa transizione non potrà avvenire subito e l’insistere su questi tentativi, che potranno avere una misurabile influenza nella seconda metà del secolo, rischia di far fallire il principale obiettivo per la riduzione dei gas serra.
Ci si aspetta che l’estrazione di petrolio raggiungerà il picco nelle prossime decadi e l’estrazione di gas avrà il suo picco una coppia di decadi dopo mentre altri combustibili fossili saranno abbondanti per almeno un altro secolo. Questi ultimi emettono però il doppio di anidride carbonica e per convertirli in gas o carburanti liquidi richiedono altra energia con costi maggiori. Non è credibile quindi che si voglia usarli anche se sono abbondanti. L’idrogeno sembra essere un’alternativa perfetta perché bruciandolo non inquina e non emette gas serra inoltre a parità di peso rilascia più energia di ogni altro combustibile e ciò ha entusiasmato scrittori e politici. Lo scorso anno l’Amministrazione Bush ha lanciato un’iniziativa di 1,7 miliardi di US$ per 5 anni per commercializzare auto alimentate ad idrogeno. In marzo la Comunità Europea ha iniziato la prima fase di un programma decennale con 2.8 miliardi di Euro e partecipazione pubblica e privata per le fuel cells a idrogeno. Lo scorso anno il Governo giapponese ha quasi raddoppiato il suo budget di R&D per le fuel cells a 268 milioni di US$. Canada e Cina hanno altre iniziative, le compagnie automobilistiche hanno speso miliardi di dollari per progettare motori ad idrogeno per automobili e ci sono circa 70 prototipi di automobili e autocarri e dozzine di autobus. Anche il problema della distribuzione è stato affrontato, ma tutto ciò è troppo poco per portare l’economia dell’idrogeno nel mercato, le infrastrutture dell’energia sono troppo vaste e le tecnologie dell’idrogeno richiedono ancora molti fondi per diventare competitive con quelle dei combustibili fossili. Inoltre le maggiori barriere sono ancora tecniche. La prima della lista è la tecnica di produzione dell’idrogeno. L’idrogeno non è per se stesso un combustibile come il petrolio o il carbone, è piuttosto come l’elettricità un portatore di energia che deve essere generato usando un’altra sorgente di potenza. L’idrogeno è l’elemento più comune nell’universo, ma sulla terra è quasi sempre legato ad altri elementi come gli idrocarburi o l’acqua e quindi deve essere estratto. Oggi il modo più economico per produrre idrogeno è di usare vapore ed un catalizzatore per decomporre un gas naturale in H2 e CO2 (reformer) ed il rendimento è dell’85% e quindi il 15% del gas di origine viene perso nel processo. Con questo metodo il costo per produrre una quantità di idrogeno che produca la stessa energia di un gallone di benzina è oggi di 5 US$, ma potrebbe scendere in futuro a 1 US$; usando il carbone o il petrolio il processo è meno efficiente. Con energia rinnovabile, senza generare CO2, si deve usare l’elettricità dal solare o l’eolico e decomporre l’acqua mediante elettrolisi, ma è molto più costoso. Una competitività nasce valutando altri benefici come l’assenza di inquinamento e di gas serra. Un’altra idea innovativa è di produrre idrogeno dalle alghe usando la luce solare e dei catalizzatori o dai residui agricoli o da altri tipi di biomasse, ma si tratta di tecniche ancora da sviluppare. Un altro problema da risolvere è come immagazzinare l’idrogeno a bordo di una macchina in modo da competere con gli altri combustibili. L’idrogeno è il più leggero degli elementi, a temperature e pressione normali occupa 3000 volte il volume della benzina che fornisce la stessa energia ed è necessario quindi comprimerlo o liquefarlo o ricorrere a nuove tecniche avanzate. Nessuno di questi metodi oggi permette un’autonomia di 300 miglia (483 km) che è la specifica DOE. Pressurizzando (70 MPa) il serbatoio sarebbe 8 volte più grande ed anche usando le fuel cells che hanno un’efficienza doppia dei motori a benzina avrebbe sempre un volume 4 volte più grande. La liquefazione a -253 °C richiede un 30% dell’energia e richiede serbatoi isolati e sempre più grandi dei convenzionali. Nuovi sistemi come l’uso di nanotubi, idriti metallici o sostanze come il sodio boroidrite per produrre idrogeno mediante reazione chimica sono ancora delle promesse. Un’altra area dove è necessario un sostanziale progresso è quello delle fuel cells; queste sono usate da decenni per alimentare i veicoli spaziali, ma il loro alto costo ed altri inconvenienti li hanno tenuti lontani dalla loro applicazioni nelle automobili. Un motore a combustione interna costa tipicamente 30 US$ per KW di potenza, ma le fuel cells che usano catalizzatori con metalli preziosi sono 100 volte più costose.
Per concludere le prospettive a breve termine per le tecnologie delle energie rinnovabili non sono brillanti, eolico ed energia solare hanno impiegato due decadi per ridurre il loro costo di 10 volte con grandi investimenti governativi e privati ed oggi ciascuno copre solo l’1% del fabbisogno. L’uso dell’idrogeno richiede ancora grandi progressi tecnologici nel trasporto e nelle fuel cells ed i problemi di sicurezza per l’infiammabilità dell’idrogeno renderanno il suo uso più costoso e difficile ad essere accettato nell’uso comune. Il trasporto a lunga distanza consumerebbe buona parte dell’energia trasportata anche con le pipeline che richiedono stazioni di pompaggio ogni 150 km. Per ridurre questi costi i luoghi di produzione devono essere vicini a quelli di impiego ed anche questo può non essere economico. Inoltre produzione delle macchine con propulsione a idrogeno e rete delle stazioni di servizio sono molto interdipendenti ed insieme agli altri problemi devono crescere e svilupparsi simultaneamente.
Una soluzione a più breve termine del problema dei gas serra e del cambiamento climatico richiede di battere altre strade come il promuovere l’efficienza nell’uso dell’energia, l’uso di motori diesel ad alto rendimento e lo sviluppo di auto ibride a benzina ed elettriche, una tecnologia già presente nel mercato. Altro provvedimento contro i gas serra è il sequestro della CO2 emessa dalle centrali che usano combustibili fossili ed il suo immagazzinaggio sottoterra, tecnica ancora a livello sperimentale.
Science, 18 Feb 2005, Vol. 307, pg. 1082 - Steve Collins - Molti studiosi di locomozione umana si basano sull’osservazione di come le persone camminano misurando come piegano gli arti e le forze di reazione del terreno. Un approccio differente è quello di progettare e studiare le macchine che camminano paragonandole agli uomini in termini di morfologia, andatura, uso dell’energia e controllo. I robot bipedali umanoidi hanno dimostrato un movimento versatile e regolare basato su un preciso controllo delle giunture, ma questo criterio non è soddisfacente perché richiede attuatori di precisione con risposta in frequenza superiore a quella dei muscoli umani e consumano un’energia di un ordine di grandezza più grande. Si è sperimentata anche la deambulazione passiva che non controlla nessun giunto e che si muove lungo una pendenza con andatura simile all’uomo. Infine sono stati costruiti dispositivi con dinamica passiva che non dipendono dalla forza gravitazionale, ma sfruttano una fonte di energia. Uno di questi è il bipede Cornell mosso da motori elettrici con molle che spingono le caviglie. Questo ha 5 gradi di libertà, due alle caviglie, due alle ginocchia e uno all’anca. Ciascun braccio è meccanicamente connesso alla gamba opposta ed il corpo è cinematicamente condizionato in modo che la verticale biseca l’angolo dell’anca. Il bipede Delft ha una morfologia simile, ma è mosso da un attuatore pneumatico nell’anca ed ha una caviglia passiva. Il bipede ad apprendimento, costruito dal Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha 6 gradi di libertà, due servomotori a ciascuna delle caviglie, due anche passive e ciascun braccio è collegato alla gamba opposta. Il corpo è sospeso in modo passivo ed ha un sistema di controllo automatico che apprende con l’esperienza. Il bipede è stato progettato espressamente per il minimo consumo di energia. Le maggiori perdite di energia negli uomini e nei robot, che camminano a velocità costante, sono dovute alla dissipazione quando i piedi colpiscono il terreno ed ai freni degli attuatori (lavoro negativo). Il progetto del Cornell ha dimostrato che è possibile eliminare completamente questo lavoro negativo. La potenza media ai due giunti delle caviglie è di 3 watt. In tutto il bipede Cornell di 13 kg consuma 11 watt. Per paragonare l’efficienza fra uomini e robot di dimensioni diverse si ricorre al parametro adimensionale del costo specifico del trasporto definito come: C = (energia usata)/(peso x distanza percorsa). I bipedi Delft e MIT non sono stati progettati per un uso minimo dell’energia, ma sono sempre basati sulla deambulazione passiva e, per confronto, gli attuali robot allo stato dell’arte, come gli umanoidi Honda e Asimo, usano 10 volte l’energia di un uomo. Il bipede MIT è stato progettato per provare i vantaggi di un sistema ad apprendimento. In ogni movimento il robot introduce variazioni casuali dei parametri e misura le variazioni nella prestazione del movimento, combinandole poi con le misure precedenti calcola un gradiente della prestazione. Ciascun robot ha delle caratteristiche di progetto che intendono imitare l’uomo. I bipedi Cornell e Delft usano una geometria antropomorfica presente nell’andatura umana. Il bipede MIT ad apprendimento usa regole che sono biologicamente plausibili ed ha provato a riprodurre bene l’apprendimento umano, ma la sua efficienza è fortemente influenzata dal progetto meccanico e dal sistema di deambulazione. I bipedi Cornell e Delft hanno dimostrato che il camminare può essere ottenuto con controlli estremamente semplici. Ci si aspetta che in futuro i robot umanoidi svilupperanno sempre più un controllo basato sulla dinamica passiva con attenzione all’efficienza energetica.
Science, 3 Jun 2005, Vol. 308, pg. 1421 - Jens R. Rostrup-Nielsen - Il recente aumento del prezzo del petrolio ha dato risalto ai carburanti biologici come fonti alternative di energia. Questi non potranno rimpiazzare completamente il petrolio perché non è disponibile una sufficiente area coltivabile, tuttavia la conversione delle biomasse da sorgenti diverse, compresi i rifiuti, insieme ad altre fonti di energia può rendere la nostra società meno dipendente dal petrolio. La conversione delle biomasse in combustibile si riferisce soprattutto ai composti carboidrati come zuccheri, amidi, emicellulosa e cellulosa che si trovano ad esempio nelle granaglie, legno e residui agricoli. Zuccheri ed amidi possono essere convertiti in etanolo per fermentazione mentre cellulosa ed emicellulosa richiedono un pretrattamento chimico e fisico seguito da frattura enzimatica della molecola. L’etanolo puro può essere aggiunto alla benzina, ma richiede una distillazione prolungata con consumo di energia e questa, insieme a quella usata per i fertilizzanti ed il trasporto delle biomasse deve essere sottratta a quella fornita dal biocombustibile. Si è calcolato che il rapporto fra energia all’origine e quella utilizzabile è di 1,1 per l’etanolo prodotto con i cereali e l’energia del processo viene fornita generalmente dai combustibili fossili. Il problema della distillazione può essere ridotto se l’etanolo viene convertito in idrogeno e quindi l’etanolo può essere utilizzato come portatore di energia per la futura società dell’idrogeno. L’idrogeno può essere generato direttamente dai carboidrati per reazione con l’acqua sotto forma di vapore. Ci si chiede ora se, invece di produrre idrogeno, non si possa produrre combustibile liquido sintetico da usare nei motori diesel che sono altrettanto efficienti delle fuel cell a idrogeno. L’altra soluzione sarebbe quella di convertire i combustibili fossili in combustibili sintetici o gassificarli e trasformarli in idrogeno sequestrando l’anidride carbonica in cavità sotterranee. I combustibili tipo diesel o benzina hanno un rapporto H/C di 2, ma nei carboidrati l’idrogeno è legato all’ossigeno come acqua ed il rapporto effettivo H/C è zero. Il processo di reforming può però estrarre l’ossigeno come anidride carbonica e produrre idrogeno o produrre carburanti per sintesi organica dai carboidrati, ma i percorsi di reazione ed i processi devono essere analizzati e comparati per ottimizzarli.
Science, 22 Jul 2005, Vol. 309, pg. 548 - Robert F. Service - Gli uomini oggi consumano complessivamente l’equivalente di 13 terawatt (TW=trilioni di watt) di potenza e l’85% proviene dai combustibili fossili che producono anidride carbonica. Per rallentare l’aumento di questo gas nell’atmosfera si dovranno sostituire la maggior parte di questi combustibili con fonti di energia rinnovabili. Gli esperti dell’energia ritengono che nei prossimi 50 anni la richiesta aumenterà di altri 30 terawatt e trovare una soluzione che non porti a conseguenze catastrofiche per la Terra sarà la più grande sfida tecnologica dei prossimi 50 anni. Il Department of Energy (DOE) USA esplorando il potenziale che emerge dalla ricerca sull’energia solare ha pubblicato sul web un rapporto (www.sc.doe.gov/bes/reports/lst.html). Attualmente si spende da 10 a 13 milioni di US$ all’anno per la ricerca di base sull’energia solare, ma è chiaramente insufficiente benché l’interesse fra gli scienziati sia crescente. Installare nuovi sistemi per generare 10 TW di potenza equivale a 10000 centrali nucleari da un gigawatt e ciò significa aprire un reattore nucleare al giorno nei prossimi 50 anni benché dal 1973 negli Stati Uniti non sia stata costruita una sola centrale. Contro le centrali nucleari vanno i costi di capitale, il problema dei rifiuti radioattivi, le responsabilità, la proliferazione nucleare ed il terrorismo. Anche le altre alternative hanno i loro lati negativi. I reattori di fusione hanno un potenziale teorico enorme e lo scorso mese sei paesi si sono accordati per la costruzione di un reattore di fusione sperimentale in Francia al costo di 5 miliardi di US$. L’investimento è certo valido, ma la soluzione non è ancora disponibile. Fra le altre opzioni di soluzione c’è l’energia prodotta dal vento il cui costo è oggi di 0,05 US$ per kilowatt-ora che supera solo quella prodotta con il gas naturale o le centrali a carbone, ma installando le turbine dove c’è vento sufficiente si potrebbe generare da 2 a 6 TW. Una nuova stima dei ricercatori della Stanford University porta questa cifra a 72 terawatt basandosi sul potenziale del vento a 80 m dal suolo dove la velocità è tipicamente più forte, ma si tratta di un’estrapolazione da misure locali. C’è un potenziale anche per l’energia da biomasse, geotermica e dalle onde dell’oceano. Le biomasse sono limitate dal terreno agrario per produrre il cibo, l’energia geotermica è limitata dagli alti costi di trivellazione e l’energia dall’oceano dai costi di costruzione. Sequestrare sottoterra la CO2 delle centrali convenzionali ha dato molte promesse, ma una dimostazione su grande scala è iniziata solo recentemente e non c’è ancora conferma che la CO2 rimarrà sequestrata per centinaia e migliaia di anni senza ritornare nell’atmosfera; si tratta di un’opzione, ma potrebbe non funzionare. Allo stato attuale gli USA stanno costruendo centrali a gas al ritmo di una ogni 3,5 giorni mentre la Cina con lo stesso ritmo costruisce centrali a carbone. I geologi avvertono da anni che la produzione del petrolio raggiungerà il massimo un giorno fra oggi ed il 2040 e che il costo del petrolio andrà alle stelle. Sulla capacità globale si può dire che, al livello di consumo del 1998, il petrolio ha 50 anni di vita, i gas naturali due secoli ed il carbone 2 millenni, ma il problema è il riscaldamento climatico. Rimane il solare. I pannelli fotovoltaici attualmente forniscono solo 3 gigawatt di elettricità e si cresce del 40% all’anno con un’industria di 7,5 miliardi di US$. Il potenziale del Sole sulla Terra è di 170 TW ed un terzo è riflesso nello spazio, ma raccogliere un piccola frazione di questa energia non è facile. Per raccogliere 20 TW con un’efficienza del 10% bisognerebbe coprire con i pannelli solari lo 0,16% della superficie terrestre. Coprendo solo le 70 milioni di case degli USA si raccoglierebbero solo 0,25 TW, 1/10 della potenza elettrica consumata nell’anno 2000 nel paese, e quindi è necessario dedicare del terreno agli impianti solari. L’energia solare comporta la soluzione dei problemi di trasporto ed immagazzinaggio dell’energia. Utilizzando zone desertiche e poco abitate sono necessarie infrastrutture fattibili, ma costose. L’immagazzinaggio dell’energia può essere fatto o in forma idroelettrica con stazioni di pompaggio o generando idrogeno o altri combustibili chimici con altre infrastrutture. Per questo raccogliere energia dal Sole è una tecnologia rinnovabile fra le più costose. L’elettricità fotovoltaica costa da 0,25 a 0,5 US$ per kilowatt-ora contro gli 0,05 dell’eolica, mentre dal gas naturale costa da 0,025 a 0,05 e dal carbone da 0,01 a 0,04. In più l’elettricità è solo il 10% dell’energia usata, molta energia è usata per riscaldare le case. In conclusione l’energia solare dovrebbe costare 50 volte meno per essere competitiva. In una riunione del DOE in aprile si sono esplorate diverse idee per ridurre i costi come produrre cellule di plastica e sfruttare le nanotecnologie; queste ricerche ricevono modesti finanziamenti e, se i progressi delle tecnologie non risolveranno il problema entro il 2020, il contributo dell’energia solare non sarà sostanziale entro il 2050. C’è il rischio che non si trovi una soluzione, ma vale la pena provare.
Science, 14 Oct 2005, Vol. 310, pg. 219 - John Bohannon - Nel tempo di un’ora e 42 minuti che è intercorso fra l’istante in cui l’11 settembre 2001 il primo aereo colpì il World Trade Center (WTC) ed il collasso di ambedue le torri, più di 2000 persone non riuscirono a fuggire. Si crede che circa 500 presenti morirono immediatamente nell’impatto e più di 1500 morirono successivamente intrappolati nei piani superiori. Nessun grande edificio è progettato per essere completamente evacuato. I regolamenti invece richiedono tipicamente che vengano evacuati pochi piani, assumendo nulla di peggio di un incendio localizzato. Questo però deve cambiare perché nella vita di un edificio ci saranno situazioni in cui può essere necessario mandare tutti fuori, ma una totale evacuazione richiede una profonda conoscenza del comportamento collettivo delle folle. L’obiettivo è di trovare delle regole che i pedoni inconsciamente seguono nel muoversi in spazi affollati e bisogna capire perché certe geometrie di corridoi e porte funzionano meglio di altre. L’assembramento è ciò che provoca più vittime; bisogna fare evacuare la gente rapidamente e in sicurezza. Con questi principi due gruppi hanno cercato di creare un modello di evacuazione del WTC. Nel 2002 il Congresso ha ordinato al National Institute of Standard and Technology (NIST) di indagare sul livello di sicurezza e la risposta all’emergenza del WTC ed il governo UK ha commissionato uno studio chiamato HEED. Per ricostruire una cronologia dell’evento minuto per minuto, il NIST ha condotto più di 1000 interviste telefoniche con i sopravvissuti ed una delle scoperte più sorprendenti è stato il lungo ritardo intercorso fra il primo attacco e l’inizio dell’evacuazione. Benché il 77% dei sopravvissuti cominciarono l’evacuazione entro 5 minuti dall’impatto fu necessaria un’altra ora ad un altro 19% per cominciare a muoversi ed un altro 4% rimase nell’ufficio per più di un’ora più preoccupati di salvare il loro computer. Le scale non erano progettate per un’evacuazione completa e nessun grande edificio lo è. C’è una grande resistenza a richiedere una capacità di evacuazione completa perché la gente crede che quello del WTC è stato un evento unico. Si fa notare però che la vita di edifici simili è di 100 anni ed i progettisti devono essere preparati ad eventi estremi come incendi su molti piani, terremoti e cicloni. Gli esperti dicono che finché gli edifici esistenti non verranno rimpiazzati da una nuova generazione si potrà solo introdurre migliori procedure di emergenza e miglioramenti. Uno di questi sarebbe di rendere gli ascensori utilizzabili durante le emergenze. I nuovi ascensori devono includere sorgenti di energia indipendenti e calcolatori che evitino di aprirsi dove c’è l’incendio. Altra innovazione è di creare nuove vie di fuga unendo gli edifici con ponti aerei o altri sistemi di emergenza come un palo esterno dove scivolare con un freno elettromagnetico o tubi di stoffa dentro i quali scivolare e sono stati proposti anche i paracadute.
Science, 18 Nov 2005, Vol. 310, pg. 1106 - Richard A. Kerr - Sta per finire l’età d’oro della scoperta di giacimenti di petrolio. Tra pochi decenni inizierà la penuria. In uno scenario popolare si avrà forse un altro ciclo favorevole di progetti di trivellazione incrementando le riserve ed abbassando di nuovo i costi del petrolio, poi, secondo le previsioni delle maggiori società petrolifere e di consulenza, l’aumento della produzione di petrolio fuori dalle 11 nazioni dell’OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) rallenterà fino a fermarsi. Oltre il 2015 l’OPEC, e specialmente 4 o 5 paesi del Medio Oriente, saranno lasciati a soddisfare la crescente sete di petrolio del mondo che attualmente corre sui circa 1000 galloni al secondo. In realtà non si conoscono le riserve dei paesi OPEC e l’impressione è che un problema effettivo si avrà entro 2 o 3 decadi, 20 o 30 anni è quindi il tempo a disposizione per sviluppare sufficienti alternative al petrolio. Soprattutto i geologi ritengono che non ci sia rimasto sufficiente petrolio per continuare a pomparne per sostenere la crescente domanda che oggi è di 30 miliardi di barili all’anno. La produzione raggiungerà presto il massimo e quindi inizierà un rapido declino. Per l’immediato futuro, nei prossimi 5-8 anni, ci sarà una crescita di produzione dai nuovi progetti di perforazione privati e nazionali, anche sottraendo la riduzione di produzione dei giacimenti ormai sfruttati, quindi per la fine della decade la produzione dovrebbe superare la domanda e quindi i prezzi dovrebbero calare. Tutte le previsioni concordano per un picco della produzione dei paesi non OPEC per il 2010, ma per il 2015 tutti quelli che forniscono ora il 60% della richiesta mondiale non saranno più in grado di aumentare la loro produzione e ciò comincerà a avere influenza sulle economie dei paesi che dovranno aumentare le loro importazioni di petrolio. I dati sulle riserve OPEC sono molto scarsi, ma il picco della loro produzione è prevedibile fra il 2018 ed il 2025 al più tardi Altre analisi ritengono che l’OPEC non abbia ancora utilizzato a pieno le sue ricchezze di petrolio, vi sono solo 7000 pozzi nella regione, pochi rispetto ad altri bacini, ma alcuni pensano che le riserve potrebbero non essere così grandi. Non si può neppure garantire che Sauditi, Iraniani ed Iracheni investano fondi per assicurare la domanda crescente. Per il momento l’assicurazione dell’OPEC è di espandere la sua produzione a 38 milioni di barili al giorno fino al 2025 mantenendosi sopra la richiesta. A tempi più lunghi la produzione OPEC dipenderà più dalla politica e dall’economia e l’OPEC potrebbe produrre al di sotto della domanda per vendere a prezzi più alti e guadagnare di più sul lungo termine. Si sa che il picco verrà, ma non si sa esattamente quando ed un quarto di secolo è un margine troppo modesto. Considerando le tecnologie già mature per rimpiazzare il petrolio saranno necessari da 3 a 5 anni per un programma di emergenza e se questo non inizia 20 anni prima del picco, si avvertirà la penuria di petrolio, ma difficilmente si comincerà in tempo.
Le alternative al facile petrolio per i prossimi 30 anni sono numerose, ma anche combinando tutte quelle praticabili non saranno pronte nei prossimi 25 anni a coprire le necessità. Si possono elencate nel seguito.
Oli Pesanti: alcuni oli pesanti sono troppo viscosi per fluire da soli dai pozzi, in questi casi si usa il vapore per estrarli. Attualmente in California si estraggono 3 milioni di barili al giorno e la produzione si potrà raddoppiare nei prossimi 10 anni se il prezzo fosse adeguato.
Sabbie Petrolifere: nello Stato di Alberta, in Canada, si estraggono dalla terra 100 tonnellate di sabbie petrolifere iniettando vapore. Si potranno estrarre 3 milioni di barili di petrolio al giorno dal 2020.
Carbone: il carbone può essere utilizzato per le automobili; il primo processo per convertire il carbone in molecole organiche pesanti e con corte catene di carbone ed idrogeno è del 1912 e la Germania alimentò dal carbone la Luftwaffe durante la Seconda Guerra Mondiale. Sarà necessario che il prezzo sia abbastanza superiore ai 50 US$ al barile perché una produzione dal carbone si porti a 4 milioni di barili al giorno dal 2030.
Gas Naturali: camion ed autobus già oggi funzionano con gas naturali ma, per facilitare il trasporto e concentrare l’energia, molecole a singoli atomi di carbonio possono essere riunite chimicamente in catene più lunghe per formare idrocarburi adatti ai diesel. Impianti commercialmente validi si potranno realizzare nel Quatar, nel Golfo Persico e si potrà ottenere mezzo milione di barili di petrolio al giorno dal 2015.
Conservazione: minore consumo e maggiore efficienza nelle macchine con l’uso di motori diesel puliti, motori ibridi e automobili più piccole, secondo il MIT, potrebbero portare a sostanziali riduzioni dei consumi nei prossimi 30 anni.
Ancora non disponibili: il nucleare, vento ed energia solare non producono combustibili liquidi e non sono ancora sorgenti disponibili quando comincerà a mancare il petrolio. L’etanolo dalle biomasse non è ancora economico, petrolio dalle rocce scistose non sarà commerciale per almeno 10 o 20 anni, l’idrogeno per le fuel cells richiederà mezzo secolo per entrare nell’uso.
Science, 27 Jan 2006, Vol. 311, pg. 484 - Arthur Ragauskas - L’umanità si deve preparare alla transizione dalle risorse di energia non rinnovabili alle biorisorse rinnovabili. Le ricerche chimiche e biochimiche mostrano la strada per convertire le biomasse in carburanti ed altri prodotti chimici. All’inizio del XX secolo, molte sostanze industriali, come coloranti, solventi e fibre sintetiche, venivano ricavate dal legno e dai vegetali; alla fine degli anni ’60, molti prodotti di natura biochimica sono stati ricavati da derivati del petrolio. La crisi energetica degli anni ’70 ha fatto aumentare l’interesse della sintesi di carburanti e materiali dalle risorse biologiche. L’interesse è scemato nel decennio successivo quando è calato il costo del petrolio, ma questo ha significato che il consumo del petrolio è triplicato negli anni successivi, ora la richiesta di energia crescerà più del 50% fino al 2025 e la maggior parte dipenderà dalla domanda delle nazioni emergenti. Per una globale stabilità climatica, una riduzione ecologica degli effetti negativi della generazione di energia si basa su un approccio multilaterale che include il nucleare, il solare, l’idrogeno, il vento, i combustibili fossili (con il sequestro dell’anidride carbonica) ed i biocarburanti. Spostare la dipendenza della società, dal petrolio alle sorgenti rinnovabili delle biomasse, è un importante contributo per una società industriale sostenibile. Negli Stati Uniti, il bioetanolo, derivato dai cereali contribuisce per il 2% del consumo di carburanti nel trasporto, un altro 0,01% viene dal biodiesel. Una direttiva dell’Unione Europea del 2003 ha come obiettivo di derivare dalle biomasse il 2% del consumo di petrolio per i trasporti diesel entro il dicembre 2005 ed il 5,75% entro il 2010. Tuttavia le attuali tecnologie limitano alcune applicazioni e sono necessaire ancora ricerche per aumentare efficienza e sostenibilità delle bioraffinerie. Innovazioni devono incrementare la produzione delle biomasse nella resa e composizione per aumentare il loro valore in termini di energia. Le biomasse che includono vegetali legnosi ed erbosi devono incrementare la resa di un fattore 2 o più. Si può agire sulla capacità di fotosintesi per catturare meglio l’energia della luce, il cui rendimento è oggi inferiore al 2%, ed anche sui geni che agiscono sul metabolismo dell’azoto. Le piante investono tipicamente molta energia nelle strutture riproduttive, come i fiori, e, sopprimendo questi, più energia sarà impiegata per la biomassa totale. Anche riducendo o abolendo il letargo invernale delle piante, si può estendere la loro fase di crescita. Tra lignina e cellulosa, la seconda ha un maggiore valore e, sopprimendo il gene 4-CL che sintetizza la lignina, si avrà un corrispondente aumento di cellulosa; lo stesso si può ottenere migliorando i geni che sintetizzano la cellulosa. Le nuove bioraffinerie sfrutteranno queste migliorie ed useranno materiali rinnovabili costituiti da polisaccaridi e lignina per trasformarli in una mistura di prodotti che includono carburanti per il trasporto, composti utili ed energia diretta. L’uso dei carboidrati come materia prima chimica eviterà l’uso di processi ossidativi nell’industria petrolifera e si produrranno più direttamente prodotti come alcool, acidi carbossilici ed esteri. Da materiali biologici si possono produrre solventi, plastiche e lubrificanti e sostituire i prodotti delle industrie petrolchimiche. Derivati come l’acido polilattico, oggi prodotto dal petrolio, può essere prodotto più economicamente per fermentazione dal destrosio dei cereali. Nell’industria del petrolio domina la distillazione per la separazione dei prodotti; la chimica delle biomasse parte dall’estrazione dei solventi. Verranno estratti prima prodotti di elevato valore presenti già nelle biomasse, quindi si processeranno i polisaccaridi e la lignina per altri prodotti bioderivati e per i carburanti. Riguardo ai solventi, l’acqua deve essere considerata quello meno inquinante e, in condizioni quasi critiche (200-300 °C), può dissolvere sia le molecole organiche non polari che i sali inorganici ed è paragonabile all’acetone; anche la sua capacità di dissociazione in ioni idrogeno ed idrossili aumenta più di tre ordini di grandezza con azione basica. La sua azione solvente facilita poi la separazione dei prodotti che diventano insolubili con il raffreddamento. L’acqua ad alta temperatura è stata anche proposta per la depolimerizzazione delle cellulose. Gli zuccheri possono essere trasformati con trasformazioni enzimatiche in altri prodotti chimici, incluso l’etanolo ed altri acidi carbossilici, inoltre l’attuale costo dei carboidrati è competitivo con i prodotti della petrolchimica. I biocarburanti sono i prodotti finali delle bioraffinerie. Il bioetanolo si produce oggi negli Stati Uniti per fermentazione dell’amido dai cereali ed in Brasile dalla canna da zucchero. Dai materiali agricoli di risulta a basso costo, ricchi di cellulosa ed emicellulosa, si può produrre bioetanolo mediante depolimerizzazione. Altre tecnologie per la produzione di carburanti biologici si basano sulla rimozione di ossigeno dai carboidrati come l’eliminazione di acqua dagli zuccheri. Questi prodotti sono però ancora troppo polari per essere usati direttamente, ma dopo ulteriori trasformazioni in composti non polari con 5-10 atomi di carbonio sono simili alle benzine. Carburanti diesel hanno invece da 12 a 20 atomi di carbonio. Dalla lignina per pirolisi, con o senza catalizzatore, si ottiene la conversione del 58-77% in gas condensabile ed il 13-28% in gas non condensabile, quest’ultimo costituisce il gas di sintesi (syngas), miscela di CO e H2. I prodotti residui costituiscono una sorgente di energia per la stessa bioraffineria. La produzione di syngas dalle biomasse è più facile di quella dal carbone perché avviene a temperatura più bassa. Lo sviluppo delle bioraffinerie stimolerà nuovi sviluppi nell’agricoltura per l’aumento delle biorisorse, il migliore uso della terra e la produzione di nuove piante a maggiore resa.
Science, 14 Apr 2006, Vol. 312, pg. 204 - Mary C. Comerio - Il 100° anniversario del terremoto di San Francisco del 1906, è un’occasione per riflettere su ciò che abbiamo imparato per una progettazione capace di resistere ai terremoti e come le ricerche in questo campo possono essere sfruttate per costruire meglio nel futuro. Il movimento della terra sotto le aree urbanizzate può causare seri danni e perfino il collasso di edifici, ponti, strade e linee elettriche ed altre infrastrutture critiche. I danni possono portare disastri che mettono a rischio migliaia di vite e l’economia della regione epicentro. Negli ultimi 100 anni architetti ed ingegneri hanno sviluppato metodi per valutare il rischio dei terremoti e la stabilità degli edifici. Tuttavia i morti nei recenti terremoti di Pakistan, Iran, Turchia e India e le perdite economiche in Giappone e Stati Uniti indicano che le tecniche di progetto capaci di resistere ai terremoti non sono adeguate. Quando Lima fu rasa al suolo da un terremoto nel 1746, le autorità ridussero l’altezza degli edifici, in Portogallo furono introdotte le costruzioni in muratura rinforzate da strutture di legno dopo il terremoto di Lisbona del 1755. Fra il 1850 ed il 1906, architetti ed ingegneri civili di San Francisco hanno provato diverse innovazioni per rinforzare gli edifici contro il crollo delle pareti dovuto alle forze laterali ed alcune di queste si dimostrarono efficaci durante il terremoto. Tuttavia dopo il 1906 i costruttori cominciarono ad utilizzare cemento ed acciaio che permettono strutture più leggere e resistenti e svilupparono una maggiore sensibilità ai problemi causati dai terremoti. I criteri intuitivi furono sostituiti da metodi scientifici e modelli matematici per analizzare e predire il comportamento delle strutture. Vennero usate strumentazioni per misurare le scosse e sistemi per simulare in scala i terremoti, oltre ai nuovi metodi e modelli per calcolare la resistenza dei materiali. Rinforzare significa rendere rigido, ma la rigidezza può trasferire la sollecitazione ad altre parti dell’edificio causando maggiori danni. Un edificio deve essere costruito per garantire la sicurezza degli occupanti e proteggere il contenuto. Queste prestazioni hanno richiesto lo sviluppo di altre tecnologie. Ad esempio per l’isolamento della base si usano snodi in neoprene che disaccoppiano il moto del suolo dalla struttura dell’edificio; vengono usati smorzatori e shock absorber. Per certi uffici pubblici, come scuole, ospedali e servizi di emergenza, si richiedono elevati standard di sicurezza. L’obiettivo è di progettare secondo livelli prefissati di sollecitazioni sismiche prendendo come parametri il livello di danni, i costi ed i tempi di riparazione. Questi nuovi criteri cambieranno il modo con cui si costruirà nei prossimi 50 anni e cambiano anche la forma delle strutture. Sfortunatamente è difficile pensare di evitare nel futuro perdite e danni dei terremoti. Ogni anno ci sono 1000 scosse di magnitudine (M) 5 o maggiore, 100 scosse con M=6 o maggiore, 10 con M=7 o maggiore. L’8 ottobre 2005 si è avuta una scossa con M=7,6 nel Kashmir, in Pakistan che ha lasciato 80000 morti e 4 milioni di senza tetto. Il 26 dicembre 2006, un terremoto sottomarino e un tsunami ha colpito 20 nazioni uccidendo circa 300000 persone e lasciato senza nulla un milione di persone. Il terremoto di Bhuj, in India, del 2001 e simili eventi in Turchia nel decennio precedente, hanno causato decine di migliaia di morti e milioni di senza tetto. Nelle nazioni sviluppate il numero dei morti è decisamente più basso, ma le perdite economiche nel 1994, vicino a Los Angeles, e nel 1995 a Kobe, in Giappone, sono state rispettivamente di 40 miliardi e 150 miliardi di US$. Benché le tecniche di ingegneria basate sulle prestazioni promettano di ridurre i costi economici ed i danni dei terremoti nelle nazioni sviluppate, nelle nazioni in via di sviluppo manca una priorità a livello globale per un supporto ad uno sforzo di ricerca su una migliore pratica costruttiva delle abitazioni anche con soluzioni a più bassa tecnologia.
Science, 11 Aug 2006, Vol. 313, pg. 748 - Jennifer Couzin - Il microscopio ottico ha dato origine alla biologia cellulare rivelando il mondo microscopico delle cellule. Tuttavia la cosiddetta barriera del limite di diffrazione impedisce la risoluzione oltre i 200 nanometri nel caso di luce visibile, cioè quella di mezza lunghezza d’onda. Per maggiori dettagli i ricercatori devono ricorrere alle lunghezze d’onda più corte o al microscopio elettronico. Ora due team di ricercatori hanno sviluppato due tecniche di microscopia che risolvono gli oggetti su scala nanometrica. La barriera di diffrazione è stata completamente annullata ed i nuovi metodi permettono ai biologi di vedere come interagiscono le proteine. Una delle nuove tecniche è quella iniziata da Eric Betzig, pioniere della microscopia near field negli anni ’90 presso i Bell Labs, e poi sviluppata con Harald Hess e colleghi a partire dal 2003. Il team ha usato dei marcatori che attivano luce fluorescente su singole molecole. Queste sorgenti puntiformi possono essere localizzate con maggiore precisione se si eccitano una alla volta invece che insieme e, facendo una mappa di tutte le molecole, si ottiene un’immagine ad alta risoluzione. Applicando questo dispositivo alle proteine trattate con i marker ed inviando brevi lampi di luce violetta a bassa intensità, si attivano solo poche molecole per pochi secondi, si ripete poi il processo più volte fino a 10000 volte per 2-12 ore e si raccolgono sufficienti informazioni per una supermappa in cui si possono distinguere molecole da 2 a 25 nanometri in una regione con 100000 molecole per micrometro quadro. Questa tecnica è stata chiamata microscopia a localizzazione per fotoattivazione e la sua risoluzione è simile a quella del microscopio elettronico. Gli scienziati dicono che ha un potenziale ancora maggiore per l’esame delle interazioni fra proteine, se si applica alle proteine una marcatura con colori diversi. L’altra tecnica è quella di Stefan Hell del Max Planck Institute di Göttingen in Germania, detta microscopia a “stimulated emission depletion” in cui, a differenza di quella di Betzig, si maschera un anello di molecole lasciandone eccitata solo una al centro. Una sfida è ora quella di applicare le nuove tecniche alle cellule viventi le cui parti sono in rapido movimento. La tecnica di Betzig ha più difficoltà perché richiede lunghi periodi di ripresa prima di costruire una immagine completa, ma l’ingegnosità dei ricercatori a volte sorpassa l’immaginazione.
Science, 9 Feb 2007, Vol. 315, pg. 782 - Daniel Clery - Il presidente George W. Bush ha chiesto di applicare talento e tecnologia per migliorare l’ambiente in America, andare oltre l’economia basata sul petrolio ed uscire dalla dipendenza dal Medio Oriente. L’instabilità politica delle regioni che forniscono petrolio e gas naturali a costi crescenti ha reso l’energia il problema attuale. Tutto ciò ricorda la fine del decennio 1970, quando lo shock petrolifero fece destare l’interesse sulle sorgenti alternative al petrolio. Le preoccupazioni odierne sono dovute ai cambiamenti climatici oltre che all’insicurezza delle fonti energetiche. La scienza nell’ultimo quarto di secolo offre nuove possibilità: genetisti e chimici della sintesi trovano prodotti agricoli per realizzare migliori carburanti liquidi, gli esperti di materiali ottengono più efficienza dalle cellule fotovoltaiche e le simulazioni al computer riprogettano nuovi reattori nucleari. Gli esperti delle politiche energetiche concordano sulla necessità di fare sostanziali cambiamenti sulle sorgenti di energia. Tuttavia sono improbabili drastici aumenti di fondi per la ricerca sull’energia. Quasi tutte le nazioni hanno aumentato i fondi per l’energia nel periodo fra la fine del 1970 e la metà del 1980, ma poi sono tornati stagnanti con l’abbassarsi dei prezzi del petrolio ed il ridursi dell’interesse sulle centrali nucleari dopo gli incidenti di Three Mile Island in Pennsylvania e di Chornobyl in Ukraina. Vi sono tuttavia segni di ripresa. C’è uno sforzo sulla ricerca per il risparmio dell’energia cominciata negli USA ed in Giappone alla fine del decennio 1970 e c’è la crescita delle centrali eoliche in Europa. La preoccupazione per le emissioni di anidride carbonica ed il desiderio di portarsi all’avanguardia nelle tecnologie rinnovabili, hanno spinto l’Unione Europea (EU) ed altre singole nazioni a investire sulla ricerca dell’energia eolica e dare incentivi per le centrali eoliche. Il risultato è stato un fenomenale aumento di capacità eolica installata in Europa equivalente a 50 centrali a carbone in Germania (50 GW). L’industria delle rinnovabili nella EU ha oggi un mercato di 20 milioni di US$ ed impiega 300000 persone. Lo scorso anno Bush ha annunciato il lancio della Advanced Energy Initiative, proposto un 22% di aumento ai fondi del DOE per le tecnologie di energia pulita nel 2007 focalizzandosi sull’aumento dell’efficienza delle auto e sull’aumento dell’uso dei biofuel, sullo sviluppo delle fuel cells e delle tecnologie per generare elettricità incluso il carbone pulito, le nuove centrali nucleari, il solare e l’eolico. Queste aree hanno ricevuto 1,7 miliardi di US$ nel 2006. Una delle più attese iniziative del DOE è il piano di costruire due centri di ricerca per la bioenergia per sistemi che convertano fibre vegetali non commestibili, come la cellulosa, in etanolo e biofuel. Ci sono 125 milioni in 5 anni ed una decisione si attende in estate. La compagnia BP ha lanciato un piano simile investendo 500 milioni in 10 anni. La EU, negli ultimi 7 anni ha approvato 1,5 miliardi di US$ per le rinnovabili e per l’efficienza. Il governo dell’United Kingdom (UK), lo scorso ottobre ha reso noto che l’impatto negativo del global warming, nel caso non si faccia nulla, sarà dal 5% al 20% sul PIL, mentre uno sforzo dell’1% del PIL potrebbe evitare gli effetti peggiori e sarebbe necessario almeno raddoppiare il finanziamento su R&D dell’energia ed incrementare di 5 volte il supporto all’installazione delle nuove tecnologie. La US National Academies ha emesso nel 2005 un rapporto che identifica le azioni che aiuterebbero gli USA a competere e prosperare nel XXI secolo. Fra le raccomandazioni è la creazione di un’agenzia nell’ambito del DOE. In definitiva sarà la politica, ai suoi livelli più alti, a dettare il destino della ricerca sull’energia. Se le sorgenti del petrolio saranno ulteriormente minacciate dalla geopolitica o nuove prove del cambiamento climatico prodotto dall’uomo convinceranno gli scettici, la ricerca sull’energia prospererà. Il problema è se la cosa avrà seguito nel caso che il costo del petrolio scendesse di nuovo.
Science, 16 Mar 2007, Vol. 315, pg. 1488 - Robert F. Service - Quando il Presidente George W. Bush ha annunziato un’iniziativa per ridurre del 20% il consumo della benzina in 10 anni la cosa non sembrò una novità perché anche Jimmy Carter aveva proposto di ridurre la dipendenza dagli USA dal petrolio estero. Oggi però con l’etanolo i biofuel sono diventati un’alternativa e si intende parlare di etanolo da granoturco, ma la speranza è nella tecnologia dell’etanolo da cellulosa che vuole trasformare ogni tipo di materiale vegetale in combustibile. Secondo gli studi del Dipartimento dell’Energia e dell’Agricoltura, gli USA potrebbero convertire 1,3 miliardi di tonnellate di biomassa secca all’anno in 227 miliardi di litri (60 miliardi di galloni) di etanolo con piccole conseguenze sulla produzione di cibo e legno e si sosterrebbe il 30% di combustibile per i trasporti. Non esistono oggi impianti commerciali per la trasformazione cellulosa-etanolo, ma un piccolo gruppo di compagnie chimiche sono entrate nell’affare e sono sorti diversi impianti dimostrativi di cellulosa-etanolo. Lo scorso mese il Dipartimento per l’Energia USA (DOE) ha annunziato un premio di 385 milioni di US$ per 6 raffinerie cellulosa-etanolo che ci si aspetta producano 130 milioni di etanolo all’anno. L’etanolo non è stato sempre un combustibile alternativo perché la benzina, più economica, possiede il 30% di energia in più, ma è entrato in uso negli anni ’70 quando il Brasile lanciò uno sforzo nazionale per convertire la canna da zucchero in etanolo nella speranza di ridurre la sua dipendenza dal petrolio ed il governo federale fece aggiungere il 25% di etanolo alla benzina delle stazioni di servizio. Così la produzione di etanolo in Brasile è salita da 0,9 miliardi di galloni, nel 1980, a 4,2 miliardi di galloni lo scorso anno. Anche negli USA è aumentata la produzione di etanolo. Nel 2005 è arrivata a 4 miliardi di galloni, circa il 3% dei 140 miliardi di galloni di benzina usata ogni anno, e la maggior parte è usata in miscela alla benzina nel rapporto di 10/90. Due anni fa il Congresso ha prescritto di aumentare la produzione a 7,5 miliardi di galloni all’anno entro il 2012. L’ultima iniziativa del Presidente ha l’obiettivo di produrre 35 miliardi di galloni di combustibile alternativo entro il 2017. Anche l’Unione Europea ha chiesto che entro il 2020 il 10% del combustibile per trasporti venga dai biofuel. Tuttavia granoturco e canna da zucchero non sono sufficienti a produrre tutto questo combustibile. La produzione di cibo ne risentirebbe, quindi bisognerà ricorrere alla cellulosa, ma questa conversione è molto più difficile. Gli amidi sono dei polimeri del glucosio che possono essere facilmente spezzati dagli enzimi. I rifiuti agricoli sono invece più complessi. La loro biomassa è fatta da tre ingredienti: cellulosa, un polimero con 6 atomi di zucchero glucosio che compone la strutture delle cellule nelle piante; l’emicellulosa, un polimero ramificato composto da xilosio ed altri zuccheri a 5 atomi di carbonio; la lignina che fa da legame agli altri polimeri nelle strutture robuste. Per convertire tutti questi polimeri in etanolo, bisogna prima rendere accessibili gli zuccheri. Solo l’amido viene diviso in zuccheri dall’enzima amilasi e quindi, per fermentazione microbica, trasformato in etanolo. Non ci sono organismi che convertono lo xilosio e gli altri zuccheri con 5 atomi di carbonio in etanolo. L’Escherichia coli che metabolizza gli zuccheri con 5 atomi di carbonio produce solo una varietà di acidi acetici e lattici, quindi i ricercatori devono ingegnerizzare nuovi organismi. Sono stati introdotti due geni nel batterio E. coli per convertire il 90-95% degli zuccheri delle biomasse in etanolo, ma la variante non tollera più del 4% di etanolo nella soluzione fermentata e si cercano organismi che tollerano una maggiore percentuale (si è arrivati al 6,4% e 10%). Si stanno studiando fermenti e lieviti, ma nonostante i successi rimane molto da fare, i microrganismi che agiscono su miscele di zuccheri hanno tempi più lunghi di fermentazione ed a questo si aggiunge l’intolleranza di molti organismi all’etanolo. Il processo a monte è però quello di spezzare le fibre di cellulosa ed emicellulosa esponendole ad acidi diluiti ed al vapore; il risultato è una zuppa che va sottoposta agli enzimi cellulase ed emicellulase che la spezzano ancora negli zuccheri semplici atti alla fermentazione. Gli acidi poi hanno effetti collaterali, non possono esser riciclati e questo aumenta il costo del processo. Ultimamente sono stati usati composti basici come l’ammoniaca invece degli acidi e questo ha ridotto i costi, ma la tecnica non funziona bene con materiali ricchi di lignina. Alcune compagnie stanno studiando piante trasgeniche, modificando i pioppi per avere più cellulosa e 50% in meno di lignina. Lo studio era partito in origine per aumentare la produzione di carta, ma è applicabile anche per l’etanolo. Attualmente il costo dell’etanolo dalla cellulosa è di 3-4 US$ per gallone e ci si aspetta che, con la produzione industriale, nel 2009 si arriverà a 2 US$ al gallone. Saranno necessarie infrastrutture per gestire grandi volumi di biomassa ed impiegare l’etanolo. Negli USA diversi costruttori di automobili hanno cominciato a produrre veicoli che usano una miscela di 85% di etanolo e 15% di benzina. Con queste infrastrutture l’etanolo da cellulosa potrebbe diventare una reale alternativa alla benzina.
Science, 29 Jun 2007, Vol. 316, pg. 1837 - Yudhijit Bhattacharjee - Per secoli gli 11000 abitanti di Karavatti (isola a sud dell’India) hanno bevuto acqua salmastra dai loro pozzi con una modesta integrazione di acqua piovana al tempo dei monsoni. Ora tuttavia gli isolani potranno dissetarsi con acqua potabile grazie ad un nuovo metodo di desalinizzazione che viene presentato come un modello di soluzione per i luoghi vicino al mare dove manca l’acqua potabile. La maggior parte degli impianti di desalinizzazione usa bollire l’acqua e condensare il vapore oppure pompare l’acqua marina ad alta pressione in una membrana che trattiene il sale (osmosi inversa). Ambedue i metodi sono ad alto consumo energetico e costosi alla manutenzione. L’impianto di Karavatti parte da una nuova strategia, nota da mezzo secolo, ma raramente implementata che usa l’energia termica dell’oceano per desalinizzare l’acqua. Il concetto è semplice. L’acqua alla superficie dell’oceano è calda, tipicamente fra 26 e 30 °C, ma a profondità di 350 m scende a circa 13 °C. L’impianto pompa l’acqua di superficie in una camera a bassa pressione dove vaporizza ed il vapore viene trasferito in un’altra camera raffreddata dall’acqua di profondità dove condensa. Il sistema è noto come low temperature thermal desalination (LTTD) ed era nato con l’idea più ambiziosa di generare elettricità dall’energia termica degli oceani, proposta da un fisico francese nel 1881 che richiede però un salto termico di non meno di 20 °C. La tecnica LTTD è più interessante ed è stata usata in modo marginale in Italia. Attualmente l’impianto di Karavatti produce 100000 litri di acqua potabile al giorno, ma consuma 30% più energia di un sistema a osmosi inversa. Tuttavia un sistema 100 volte più grande sarebbe competitivo. Per provare l’idea, la NIOT ha costruito un impianto di 1 milione di litri al giorno a Chennai su un’isola galleggiante posta a 40 km dalla riva e c’è ora una gara per un impianto da 10 milioni di litri al giorno che dovrebbe fornire acqua ad 1 US$ per 1000 litri. Il sistema della NIOT a Karavatti ha soddisfatto gli abitanti che ora usano l’acqua dei pozzi solo per lavare e pulire ed hanno ridotto del 50% i casi di diarrea e dissenteria. Il sistema LTTD si adatta alle isole, ma meno per le regioni costiere dove spesso, per le basse pendenze del fondo marino, si deve pompare l’acqua fredda molto a largo. Questi sistemi vanno sperimentati sul luogo per valutare l’economicità confrontandoli sempre con il sistema di osmosi inversa ormai ben sperimentato e non trascurando i metodi a bassa tecnologia come la raccolta dell’acqua piovana.
Science, 3 Aug 2007, Vol. 317, pg. 583 - El Kitisch - I pannelli solari commercialmente utilizzati convertono in elettricità solo circa un quinto dell’energia dello spettro solare che li colpisce. Un nuovo programma del Department of Defense USA, si propone di produrre piccoli moduli fotovoltaici per le applicazioni campali e vuole catturare più della metà di questa energia. Il team guidato da ricercatori dell’università del Delaware, Netwak, ha usato una nuova tecnica di separazione della luce che la divide in due fasci ad alta e bassa energia e li indirizza su due diversi materiali fotovoltaici e, dopo un anno e mezzo di lavoro, ha ottenuto il record di 42,8% di efficienza. Infatti tipi diversi di semiconduttori per le celle solari rispondono a fotoni di energie diverse e già la NASA, nel decennio 1970, aveva usato un prisma per creare una cella per arcobaleno, ma il prisma dissipava gran parte dell’energia. Nel 2005 i fisici della DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) hanno suggerito di usare per questo scopo i recenti materiali dicroici che separano la luce di diverse lunghezze d’onda. Con uno sforzo di commercializzazione di 3 anni e la spesa di 10 milioni di US$, il team di Delaware spera di costruire un prototipo. I più recenti sforzi per la realizzazione di celle solari commerciali sono invece orientati alle soluzioni più economiche invece che all’aumento dell’efficienza e l’obiettivo è di raggiungere il costo di 2 US$ per watt di picco.
Science, 16 Nov 2007, Vol. 318, pg. 1088 - Rolf Pfeifer - Anche se la robotica ispirata alla biologia è stata basata sui modelli neurali, i più recenti sviluppi sono stati centrati sulle nozioni di autorganizzazione e personificazione e su alcuni concetti di base. Per prima cosa il comportamento di un sistema non deriva solamente dalla struttura di controllo interno, ma è condizionato dall’ambiente ecologico in cui si posiziona e dalla sua forma e morfologia, dal tipo di sensori e dalle proprietà dei materiali che lo compongono. In secondo luogo i suoi limiti fisici stabiliscono la sua dinamica, stabilità, manovrabilità ed efficienza energetica. In terzo luogo esiste un legame fra comportamento ed informazione; attività e morfologia condizionano il processo di informazione. In quarto luogo un sistema dinamico complesso permette autorganizzazione e comportamento nell’emergenza a più livelli: dalla stimolazione dei sensori alla generazione dei movimenti ed all’interazione fra i singoli moduli e l’intero sistema. I robot sono progettati per particolari scopi ed ambienti dove devono esprimere certi comportamenti. Nelle fabbriche per assemblaggio sono necessari velocità, precisione e costo/efficacia, invece i robot che devono interagire con il mondo reale si trovano di fronte a situazioni impreviste e devono reagire rapidamente. I sistemi biologici ci forniscono una casistica di esempi e situazioni immensa con circa 1,5 milioni di specie diverse: insetti che camminano, insetti che volano, ragni, aragoste, polipi, pesci, topi, cani, primati e l’uomo stesso con le funzioni di locomozione, orientamento, manipolazione, imitazione e cooperazione. Non è possibile copiare un sistema biologico ed è anche di poco interesse. L’obiettivo è invece di rielaborare i loro principi di funzionamento e trasferirli al progetto dei robot. Soluzioni centralizzate, con un microprocessore responsabile di controllare i movimenti, non sono ottimali e sono energeticamente inefficienti. Per certi scopi, come afferrare gli oggetti, è essenziale la morfologia dei materiali, come la deformabilità nelle mani. Un precursore dei robot ispirati alla biologia è stata la tartaruga meccanica costruita da Grey Walter nel 1940, con un repertorio di comportamenti modellati sul funzionamento dei neuroni. Un principio importante nel progetto è la coordinazione fra motori e sensori e l’accoppiamento mutuo fra informazioni ed azione. La struttura dell’informazione si crea quando il sistema interagisce con l’ambiente. Gli insetti non hanno un sistema centralizzato per il coordinamento del moto degli arti che hanno un gran numero di gradi di libertà, ma c’è un sistema passivo coordinato fra tutti gli arti che si muovono sempre in modo corretto. Tecnicamente è possibile realizzare questo principio di locomozione per un exapode che si muove usando attuatori pneumatici lineari (muscoli ad aria compressa) che permettono ai robot di muoversi a velocità impressionanti anche in terreni irregolari. Questo è un esempio di intelligenza meccanica di un sistema autostabilizzato che sfrutta ad esempio una dinamica passiva per camminare in pendenza senza microprocessori e motori. Per insegnare un robot a camminare in piano basta fare agire gli attuatori come durante il movimento passivo, quindi la capacità di camminare non è localizzata nel controllore, ma in una dinamica distribuita. In ogni forma di locomozione il controllo neurale può essere semplificato attraverso un intelligente progetto morfologico e con l’uso di materiali funzionali. Ad esempio la locomozione dei pesci, degli anfibi e dei rettili sfrutta l’adattabilità della struttura del corpo per favorire il moto. Anche il volo è una diversa forma di nuoto ed in aggiunta deve produrre una sufficiente forza di sostentamento, ma una tecnologia ispirata agli uccelli è ancora lontana. La forma delle ali degli uccelli cambia continuamente durante il volo e, anche se questi cambiamenti possono essere in principio controllati, le caratteristiche intrinseche del materiale, di cui sono fatte le ali, rende il sistema energeticamente più efficiente. Di uno specifico materiale sono dotati i geco per spostarsi su superfici lisce e sulle volte: le dita dei loro piedi sono coperti da milioni di peduncoli di dimensioni nanometriche che permettono un’aderenza impressionante. I robot umanoidi hanno spesso sofisticati sistemi di sensori-motori che richiedono processori potenti e complessi e gran numero di informazioni in tempo reale. Nel mondo biologico moti complessi degli arti sono ottenuti in modo semplice con un accoppiamento sinergico delle parti ed un minimo di controllo neurale. Le ricerche si orientano all’apprendimento dei robot dagli umani o da altri robot sfruttando il meccanismo dell’imitazione in modo da richiedere un minimo di programmazione. Nella metà del decennio 1990 è stata scoperta nel cervello la presenza di un sistema di neuroni specchio che attivano l’imitazione con il riconoscimento del moto orientato agli oggetti; lo stesso problema che affrontano i bambini quando cercano di imitare gli adulti. I robot sono però morfologicamente molto diversi dagli umani e l’imitazione è inseparabile dalla morfologia. Partendo da una data morfologia si deve fare evolvere il controllo di processo o progettare macchine cambiando la funzionalità, non solo con il controllo ma anche con la loro morfologia. Un’ultima funzione è quella dell’autoreplicazione, costruire cioè robot capaci di replicarsi assiemando parti e naturalmente esistono diversi criteri per l’autoreplicazione, dall’assiemaggio di moduli prefabbricati all’uso di materie prime.
Science, 16 Nov 2007, Vol. 318, pg. 1094 - John D. Madden - Il moto dei robot di forme umanoidi mediante attuatori è stato studiato e realizzato dimostrando che i robot possono camminare, correre e saltare. Naturalmente non sono indipendenti, ma devono essere collegati ad una sorgente di potenza. Le unità di potenza con motori a combustione interna forniscono 1000 W/kg, 10 volte quella richiesta dai nostri muscoli, ma sono più adatte alla propulsione di veicoli in funzionamento continuo e per lunghi percorsi dove l’uso della benzina come propellente assicura un’energia per unità di massa 20 volte più alta di quella di una buona batteria. Un robot ha un movimento molto variabile con picchi di accelerazione e non può usare cambi ad ingranaggi come nei veicoli, inoltre i motori a combustione interna sono rumorosi ed inquinanti. I sistemi di controllo idraulico sono molto efficaci e flessibili per azionare i robot anche per movimenti complessi come è stato dimostrato con i dinosauri del Juriassic Park di Disney che usavano però una sorgente esterna di potenza. Tuttavia, nell’uso con robot umanoidi, l’idraulica non è efficiente per il movimento, perché richiede picchi di potenza solo per brevi periodi di tempo e negli intervalli il fluido in pressione viene circuitato. Un sistema più leggero è quello che usa attuatori pneumatici invece dei pesanti pistoni idraulici, ma è necessaria una pompa più grande. I motori elettrici sono preferibili perché forniscono una potenza elevata per unità di massa (fino a 300 W/kg), possono raddoppiarla se raffreddati, sono ad alta efficienza (>90%), silenziosi e forniscono alte coppie a bassa velocità, semplificando la trasmissione. Il robot ASIMO della Honda è un robot umanoide alimentato a batteria con servomotori elettrici ed usa un motore per ognuno delle sue 34 articolazioni incluse braccia, gambe, piedi, testa e dita. L’elevata velocità di rotazione dei motori elettrici è ridotta da riduttori compatti detti a trasmissione armonica. L’ultimo robot della Honda è capace di correre fino a 6 km/h con ambedue i piedi che si sollevano da terra simultaneamente fra un passo e l’altro di circa 3 cm; può anche eseguire dei piccoli lavori come prendere oggetti da 1 kg con ambedue le mani. Gli stessi tipi di movimenti sono stati dimostrati da altri robot come il QRIO della Sony e lo HRP-2 della Kawada che però non sa correre. Le prestazioni di questi robot sono limitate dalle potenze di picco richieste che triplicano dal camminare al correre. Per un uomo delle dimensioni di ASIMO la potenza di picco alla caviglia è di 200 W e si porta a 700 W nella corsa. Tenendo conto della trasmissione si arriva a 1000 W necessari per ciascuna caviglia. Usando motori da 150 W/kg senza raffreddamento, è necessario un motore da 6,5 kg. Questi attuatori sono quindi troppo pesanti. In natura si ottengono dai muscoli prestazioni superiori. Poiché muscoli e tendini sono elastici sono state inserite delle molle in serie agli attuatori dei robot bipedali. Anche il raffreddamento può raddoppiare la potenza degli attuatori e, usando acqua per refrigerante, ne evaporerebbero 1,5 litri per ora di funzionamento. ASIMO ha una batteria a ioni di litio da 51,8 V che dura 1 ora e si ricarica in 4 ore. Gli uomini continuano per giorni con le loro riserve. Il nostro grasso combinato con l’ossigeno genera l’adenosina trifosfato (ATP), una molecola usata per alimentare i muscoli ed altri processi biologici che fornisce 15 MJ/kg, 30 volte l’energia fornita da una batteria a ioni di litio dello stesso peso. Attualmente ASIMO è usato come addetto alla ricezione di ospiti, ma serve una maggiore riserva di energia. Una possibilità è di creare una versione robotica di un’auto ibrida con un generatore da 1 kW da 15 kg ed una riserva di combustibile per 8 ore ed in questo caso la disponibilità di energia sarebbe 5 volte quella di una batteria ma 5 volte meno di quella immagazzinata nel grasso. Bisognerebbe fare motori più piccoli e leggeri ed a lungo termine. La soluzione è nei generatori a turbina e camere di combustione in scala millimetrica e generatori elettrici microfabbricati in silicio. Questi sistemi avrebbero densità di potenza 100 volte superiori di quelli tradizionali assicurando funzionamenti 20 volte più lunghi. Le celle a combustibile sono un’altra opzione promettente, ma non sono ancora sufficientemente sviluppate. I muscoli sono ottimi attuatori lineari, capaci di contrarsi del 20% in lunghezza, trasmettono la forza alle ossa attraverso i tendini e creano una coppia che fa ruotare gli arti. Il ciclo di vita è elevato e, per il cuore, corrisponde ad un miliardo di attivazioni; il rendimento di conversione dell’ATP è del 45%, migliore dei motori a combustione. I muscoli hanno la capacità di attivare selettivamente delle porzioni di fibre in ogni muscolo e la capacità di cambiare la rigidezza di un fattore 5. I muscoli però operano in modo ottimale perché associati al sistema di circolazione che fornisce ossigeno, glucosio e nutrienti e porta via il calore ed altri rifiuti. Sono stati studiati molti materiali come candidati di muscoli artificiali, inclusi dei gel che si gonfiano e contraggono più del 10% al cambio del pH e della temperatura oppure leghe con memoria della forma che cambiano la struttura cristallina con il campo magnetico, allungandosi fino al 10%, ed altre ancora. Le due tecnologie più promettenti sono gli elastomeri dielettrici ed i polimeri ferroelettrici a rilassamento, ambedue comandati dal campo elettrico, che producono un lavoro per unità di volume di circa 1 J/cmc paragonati allo 0,04 J/cmc dei muscoli. Gli elastomeri dielettrici sono materiali di gomma in lastre, sulle cui facce vengono applicati degli elettrodi flessibili ed una tensione che produce una riduzione dello spessore ed un’espansione della superficie. L’attuatore può anche raddoppiare in lunghezza. L’aumento di dimensioni dipende però dal quadrato della tensione e, per ottenere sforzi elevati, li si deve sottoporre ad un preallungamento e si richiede una struttura meccanica più grande e pesante dello stesso elastomero, inoltre è necessaria un’elettronica per produrre alte tensioni (>1 kV). I polimeri ferroelettrici, come il polivinilidene fluoride (PVDF), producono deformazioni anisotrope applicando un campo elettrico. Il polimero diventa polare ed il campo cambia l’orientamento dei gruppi polari creando dei dislocamenti e cambia la conformazione del materiale. C’è lo svantaggio di una grande isteresi con maggiori perdite e difficoltà nel controllo. Introducendo dei difetti nel materiale, si riducono le dimensioni dei domini aumentando il disordine e riducendo l’allungamento al 7%, ma si riduce anche l’isteresi (rilassamento) ed il controllo diviene più regolare. Anche per questi materiali sono necessarie alte tensioni. Attualmente il ciclo di vita per questi materiali non è elevato e per gli elastomeri dielettrici è di 10 milioni di attivazioni corrispondente ad un’operatività di un anno, 8 ore al giorno alla frequenza di un Hz. Continua la ricerca per creare materiali simili ai muscoli, ad esempio assiemando proteine motrici su scala macroscopica. La molecola di azobenzene cambia la sua forma interagendo con i fotoni in modo reversibile e lo stesso avviene a livello macroscopico, ma non sempre l’uso della luce è pratico. Si sta esplorando una nuova tecnologia di attuatori che impiega nanotubi al carbonio. In assenza di difetti i nanotubi si allungano elettrostaticamente in modo elastico di parecchi percento, in confronto allo 0,1% tipico dei metalli e delle ceramiche, e la loro energia elastica si avvicina ai 10 J/cmc, valore molto elevato. La sollecitazione elettrostatica si applica immergendo il materiale in un elettrolita ed applicando la tensione fra due fibre, ma vi sono molte difficoltà nell’accoppiamento elettromeccanico a livello macroscopico. In conclusione non ci sono attualmente tecnologie che possono sostituire il sistema muscolare. Futuri sviluppi dei sistemi elastici e di quelli di generazione ed immagazzinaggio dell’energia potrebbero eguagliare le prestazioni dei muscoli mediante i tradizionali motori elettrici. I polimeri controllati elettricamente sono superiori ai muscoli sotto molti aspetti, ma richiedono delle soluzioni creative per fornire la tensione elettrica. Se le incredibili proprietà delle nanofibre potranno essere estese ad attuatori su scala macroscopica, i muscoli artificiali permetteranno ai robot di correre e saltare più di noi.
Science, 23 Nov 2007, Vol. 318, pg. 1291 - L. Ozyuzer - Quasi tutte le frequenze hanno dei buoni metodi per la generazione e la rivelazione, ma una sola eccezione si verifica nella banda bassa dei THz, fra 0,5 e 2 THz, che è una zona di transizione fra la generazione mediante semiconduttori e quella che usa la transizione quantistica della tecnica laser. La frequenza dei semiconduttori è limitata superiormente dalla velocità degli elettroni, mentre la frequenza dei laser allo stato solido è limitata inferiormente dall’energia termica della più piccola transizione elettronica utile per il laser. La giunzione Josephson, due elettrodi semiconduttori separati da uno strato isolante, converte direttamente una tensione continua in un’alta frequenza elettromagnetica nella banda dei THz, con 1 mV che corrisponde a 0,483 THz. Anche se l’emissione di una singola emissione è debole, molte giunzioni in parallelo, che emettono in fase alla stessa frequenza, producono una sufficiente potenza. Una catasta ad alta densità di giunzioni di questo tipo si trova nei superconduttori ad alta temperatura BSCCO (Bi2Sr2CaCu2O8) dove gli strati superconduttori del cuprato CuO2 costituiscono delle giunzioni Josephson intrinseche fra gli strati BiO e SrO che agiscono come barriera tunnel con 1,5 nm di spessore. L’insieme ha uno spessore totale di circa 1 micrometro con circa 670 giunzioni e sostiene la tensione per un’emissione intensa e coerente che copre tutto il gap dei THz. Il problema è di ottenere la sincronizzazione delle oscillazioni ad alta frequenza di tutte le giunzioni nella catasta. Vengono usati diversi metodi come l’applicazione di un campo magnetico che induce la sincronizzazione o inserendo il cristallo di BSCCO in una cavità a microonde. La potenza cresce con il quadrato del numero delle giunzioni che lavorano in sincronismo e si sono ottenuti 0,5 microW alla frequenza di 0,85 THz producendo un’onda elettromagnetica stazionaria per riflessioni multiple fra le superfici del cristallo.
Science, 4 Jan 2008, Vol. 319, pg. 21 - Jörn P. W. Scharlemann and William F. Laurance - Il riscaldamento globale e l’aumento del costo del petrolio hanno creato l’urgente bisogno di trovare combustibili sostenibili come l’etanolo da mais e dalla canna da zucchero. Molti però osservano che la loro produzione attraverso l’agricoltura tende ad alzare i prezzi agricoli e comporta uno scarso effetto nella riduzione delle emissioni di gas serra. L’etanolo prodotto dal mais consuma più energia di quanta ne produca. Per sostenere un biofuel rispetto ad un altro si deve considerare l’effetto sull’ambiente e se l’ecosistema nativo viene danneggiato per produrre il biofuel. Ad esempio se si abbatte la foresta per creare campi per la canna da zucchero causando un aumento di emissioni di gas serra e rinunziando ai benefici delle foreste tropicali come la biodiversità, la funzione idrologica e la protezione del suolo. Un altro costo ambientale riguarda l’emissione di altri gas nocivi. I prodotti agricoli richiedono fertilizzanti agricoli che usano azoto e questi sono una sorgente di ossido nitroso che è un gas serra che distrugge anche l’ozono stratosferico. Per questo è più utile usare prodotti erbacei o da sottobosco invece che mais ed oli vegetali. Ogni biofuel ha certi benefici e costi potenziali. Sono stati paragonati benzina, diesel e gas naturali con 26 diversi tipi di biofuel prodotti da diversi prodotti agricoli stabilendo l’impatto ambientale, la riduzione di risorse ed il danno che ciascuno comporta alla salute dell’ecosistema. Un altro criterio di confronto è stato l’emissione di gas serra in confronto alla benzina. Il biofuel riduce del 30% l’emissione di gas serra rispetto alla benzina, ma circa la metà di quelli esaminati (12 su 26) ha costi ambientali più alti dei combustibili fossili. I migliori biofuel sono quelli che sfruttano residui di lavorazioni, biorifiuti oppure oli di riciclo insieme ad etanolo da prodotti erbacei o legno. Rimane la preoccupazione che l’analisi abbia mancato di scoprire altri effetti indiretti sulla foresta amazzonica e sulle savane tropicali brasiliane nel caso di produzioni su vasta scala. Sono preferiti i biofuel di seconda generazione da cellulosa e lignina senza usare prodotti alimentari o usando alghe coltivate in acquaculture. I governi devono essere molto selettivi a dare supporto con sussidi e benefici fiscali, onde evitare effetti negativi collaterali.
Science, 8 Feb 2008, Vol. 319, pg. 718 - Robert F. Service - Sono giorni felici per l’energia solare. Le compagnie biotech si dedicano all’energia solare come uno dei settori emergenti del mercato dell’energia pulita e, nonostante la recessione dell’economia negli Stati Uniti, l’entusiasmo per il futuro del solare rimane alto. La relativa industria cresce con il 40% all’anno ed il costo della potenza generata dal solare scende rapidamente. Ci si aspetta che sarà competitiva con quella tradizionale entro la metà della prossima decade. Per il momento però la potenza totale dei pannelli solari è una frazione misera del totale. I pannelli al silicio che dominano il mercato per il 90%, hanno raggiunto il massimo del loro potenziale rendimento di conversione ed è improbabile che possano migliorare. Il tipico terrazzo di una casa, munito di tali pannelli non produce abbastanza energia da soddisfare i bisogni degli abitanti. Il futuro dell’energia solare sarà buono se i ricercatori saranno capaci di costruire celle più efficienti nella conversione in elettricità ed insieme di ridurre i costi. Questo è proprio l’obiettivo delle tecnologie di nuova generazione delle celle solari. Progressi nella chimica, scienza dei materiali, e fisica allo stato solido danno nuova vita al campo delle ricerche dell’energia solare e promettono di raddoppiare l’efficienza delle celle tradizionali al silicio e della loro versione in plastica il cui costo si riduce ad una frazione dell’attuale. La prossima coppia di anni sarà importante per superare le difficoltà e cambiare il quadro della produzione dell’energia. Le attuali celle al silicio di laboratorio convertono il 24% dell’energia solare in elettricità, quelle commerciali raggiungono dal 15 al 20%. I fotoni che colpiscono il silicio eccitano gli elettroni dalla loro banda di valenza alla banda di conduzione ed acquistano una certa libertà di movimento. Se i fotoni non hanno sufficiente energia questa si perde in calore. Solo certi fotoni nella banda del rosso sono capaci di produrre elettroni liberi e convertire il 31% dell’energia. Si può migliorare l’efficienza con diverse strategie. Una è di creare più strati di materiali assorbenti che catturano diverse porzioni dello spettro solare, ma è un sistema costoso usato soprattutto per applicazioni spaziali. Un’altra strategia è di trovare materiali che producono più cariche elettriche quando assorbono un fotone. Assorbendo la luce vicino alla giunzione fra due strati si formano insieme elettroni e buchi che vengono spinti in opposte direzioni. Nel 1997 il chimico Arthur Nozik ed il suo team della National Renewable Energy Laboratory (NREL), Colorado, predissero che usando nanoparticelle di semiconduttori, detti quantum dots, si potevano eccitare più coppie elettroni-buchi per una proprietà quanto-meccanica nota come Coulomb interaction. Quattro anni fa un team di ricercatori guidato da Victor Klimov del Los Alamos National Laboratory, New Mexico, dimostrò la formazione di coppie elettroni-buchi (eccitoni) con i quantum dots. Dai calcoli di Nozik, cellule solari basate su questo effetto possono aggiungere il 44% di efficienza. Questo obiettivo però non è facile perché bisogna dividere le coppie elettroni-buchi usando un campo elettrico che li separa prima che collassino. Il gruppo della NREL ha fatto progressi nei risultati preliminari su celle fatte con array di quantum-dots al piombo selenide. Distribuendo queste particelle fra due elettrodi si generano due o tre eccitoni per fotone e l’efficienza aumentava del 2,5%.Si stanno provando varie strategie per distribuire in modo più regolare i quantum-dots e trovare altri materiali come l’indium arsenide (Klimov). Altri gruppi usano semiconduttori e quantum-dots che assorbono prima fotoni di bassa energia e portano gli elettroni ad un livello intermedio di eccitazione attendendo poi un altro fotone per portarsi alla banda di conduzione. Molti processi usano materiali costosi: uno sottile strato di argento aggiunto all’interfaccia della giunzione suscita un effetto noto come plasmon resonance con cui la luce provoca l’eccitazione collettiva degli elettroni. Le nano particelle di argento funzionano come antenne che catturano l’energia eccitando altri elettroni e devono essere disposti all’interfaccia fra due strati semiconduttori organici uno dei quali conduce a preferenza gli elettroni e l’altro i buchi. Si è proposto anche l’uso dei nanowire al posto del quantum-dots per guidare più direttamente le cariche verso gli elettrodi. Altri cercano soluzioni economiche usando materiali e tecnologie per semplificare. Non c’è mancanza di idee per aumentare l’efficienza e ridurre i costi, ma se si riuscirà a battere le celle al silicio e rivoluzionare il mercato è ancora da vedere.
Science, 12 Sep 2008, Vol. 321, pg. 1457 - Lon E. Bell - I dispositivi termoelettrici (TE) sono sistemi a semiconduttori che possono convertire direttamente elettricità in energia termica e viceversa, raffreddare o riscaldare o recuperare il calore degli scarichi per convertirlo in potenza elettrica; per questo possono dare un importante contributo nel ridurre la CO2 ed i gas serra e fornire forme di energia pulita. Si confrontano nel seguito i sistemi TE allo stato solido con i più familiari sistemi meccanici che provvedono refrigerazione, riscaldamento, pompe di calore, scambiatori di calore ed i motori a turbina. La conversione di energia allo stato solido ha l’attrattiva di semplicità rispetto ai sistemi che utilizzano fluidi con cambiamento di stato mediante compressione ed espansione. I TE sono stati usati in sistemi commerciali per refrigeratori o riscaldatori di sedili, raffreddatori di diodi laser e generatori di modeste potenze elettriche apprezzati per le piccole dimensioni, la loro robustezza e la velocità di risposta. Maggiori applicazioni si prevedono quando sarà migliorata l’efficienza intrinseca dei materiali TE e si cercherà di migliorare anche il modo con cui saranno impiegati. I dispositivi TE usano gli elettroni invece di un fluido che sfrutta il cambiamento di fase fra liquido e gas. Nel 1834 Peltier osservò che, se la corrente passa sulla giunzione di due conduttori diversi, si può avere un riscaldamento o un raffreddamento locale a seconda del verso della corrente. Questa si propaga mediante elettroni nei materiali di tipo n e mediante i buchi in quelli di tipo p, dove si sposta in senso inverso. Quando nella giunzione la tensione è applicata in modo che elettroni e buchi si allontanano fra di loro, l’energia di formazione avviene a spese della giunzione che si raffredda, mentre se convergono e si ricombinano, l’energia prodotta la riscalda. Nel 1821 Seebeck notò che un ago magnetico subisce una deviazione quando due metalli diversi sono collegati a formare un circuito e le due giunzioni opposte sono sottoposte ad un gradiente di temperatura. Su questo principio è basata la generazione termoelettrica di energia elettrica. In questo caso vengono create coppie di elettroni buchi sulla giunzione calda, dove assorbono calore, e ricombinate sulla giunzione fredda, dove cedono calore. Sull’effetto Seebeck si basa la misura di temperatura mediante le termocoppie. Perché il processo sia efficiente, è necessario trovare materiali che siano buoni conduttori elettrici e cattivi conduttori del calore oltre a massimizzare l’effetto Seebeck, ma per l’ottimizzazione bisogna giungere a dei compromessi. I migliori risultati si ottengono con coppie di semiconduttori come il bismuto tellurite o il silicio germanio ed ambedue i semiconduttori devono essere fortemente drogati come p ed n in modo da usare lo stesso materiale base ai due lati della giunzione. Paragonando i tradizionali fluidi a due fasi liquido-gas dei sistemi di condizionamento con il fluido di elettroni dei sistemi TE, con i primi si ha un’efficienza massima teorica del 60%, mentre con il secondo l’efficienza è oggi del 12%. Nei dispositivi termoelettrici o nei generatori di potenza pratici, segmenti di materiali p ed n sono connessi tramite shunt di materiali buoni conduttori come il rame ed alternati fra il lato freddo ed il lato caldo. La figura di merito che esprime l’efficienza è ZT dove Z è il quadrato della tensione di Seebeck per unità di temperatura moltiplicata per la conduttività elettrica e divisa per la conduttività termica e T è la temperatura assoluta. Per i migliori moduli TE attuali, il valori di ZT è di circa 1,0 e l’efficienza è circa 1/4 di quella dei sistemi convenzionali a fluido. L’efficienza non cresce linearmente con ZT e, per raddoppiarla, ZT dovrebbe arrivare a 2,2. Per equiparare l’efficienza dei sistemi a fluido, ZT deve raggiungere 9,2. Per massimizzare l’efficienza come generatori di potenza, sia ZT che la differenza di temperatura fra lato caldo e freddo devono essere le più alte possibili. L’ottimizzazione avviene però in un campo di temperature limitato. Anche i costi dei moduli TE per watt di raffreddamento, riscaldamento e generazione sono troppo alti rispetto alle tecnologie tradizionali. Per questi motivi il loro impiego non è competitivo. Nel 1993 il governo USA ha promosso una campagna di ricerche per migliorare ZT per le applicazioni di riscaldamento e raffreddamento sfruttando le emergenti nanotecnologie che promettevano di ottenere materiali TE superiori. A metà del decennio 1990 si erano ottenuti progressi nell’aumentare il coefficiente di Seebeck e nel ridurre la conduttività termica portando ZT a 3,2 a 300 °C. Oltre all’aumento di ZT, l’ottimizzazione ha agito sulla riduzione delle perdite parassite portando un aumento di efficienza del 25%. Una terza strada è stata quella di migliorare il ciclo termodinamico ottimizzando gli elementi secondo il gradiente termico, come si fa nelle turbine dove ogni sezione è ottimizzata alle condizioni del fluido, portando così l’efficienza al doppio di quello del ciclo diesel. Un modo è di creare uno scambiatore di calore per moduli in controcorrente ed ottimizzare gli elementi per le temperature di funzionamento. Una tale geometria può migliorare l’efficienza del 30%. Si può infine ridurre la quantità di materiale TE usato e, in particolari condizioni, il fattore di riduzione va da 6 a 25. Le prime applicazioni sono state in campo militare per raffreddare fino a -80 °C i sensori ad infrarossi. Generatori di potenza sono stati realizzati per sonde spaziali di lunghe distanze sfruttando il calore generato da materiali fissili. Applicazioni più recenti hanno tratto vantaggio dalle riduzioni di costo e dai nuovi processi di fabbricazione per raffreddatori e riscaldatori con controllo di temperatura in sistemi biologici. Sedili controllati in temperatura (CCS: Climate-Control Seat) nei veicoli militari, mini refrigeratori degli hotel, refrigeratori portatili per picnic e controlli di temperatura personali, refrigeratori per l’elettronica dei computer. I generatori di potenza TE vengono scelti per problemi di affidabilità ed assenza di manutenzione nei sistemi di trasmissione dati in ambienti isolati e disagiati. Applicazioni future potranno crescere con il progresso dei materiali, delle loro prestazioni e dei vantaggi che possono derivare all’ambiente. Con un ZT di 2 cresceranno le applicazioni nei sistemi di condizionamento e per il recupero di energia dai gas di scarico dei veicoli, utilizzabile per i servizi ausiliari.
Science, 24 Oct 2008, Vol. 322, pg. 522 - Robert F. Service - Jay Keasling, un biologo di sintesi che lavorava all’Università di California, Berkeley, ed ora dirige il Joint BioEnergy Institute (JBEI), si è impegnato, insieme ad una dozzina di colleghi, per creare una serie di composti, come gli alcani, che sono i componenti chiave della benzina e di altri combustibili simili. Keasling, alcuni anni fa a Berkeley, aveva modificato due microbi, Escherichia coli e del lievito, per produrre il composto antimalarico detto artemisia, attualmente ottenuto dalle piante. Anche l’artemisia è un idrocarburo e quindi ora si propone di ingegnerizzare altri organismi per produrre differenti idrocarburi. Keasling spera di intervenire nel dibattito fra gli economisti dell’agricoltura e di altri sull’uso dell’etanolo, il biofuel di prima generazione, proponendo la sintesi biologica per produrre attraverso l’E. coli, il lievito ed altri microrganismi di facile sviluppo, miscele di composti da usare per varie applicazioni come la benzina, i combustibili per turbine, le plastiche ed i cosmetici. I rapidi progressi delle tecnologie di bioingegneria hanno aperto nuove grandi prospettive. Nuove compagnie sono entrate nel campo e si sono associate con i maggiori produttori dell’energia, come Chevron e BP. Attualmente i nuovi prodotti non sono concorrenziali ai derivati del petrolio, nonostante il picco di 140 US$ a barile raggiunto recentemente. Lo scorso anno si sono prodotti nel mondo 50 miliardi di litri di etanolo, in massima parte ottenuto da prodotti per l’alimentazione, come mais negli USA e canna da zucchero in Brasile. I critici affermano che questo aumenta il costo dei prodotti alimentari e che la produzione delle materie prime, con l’aratura dei terreni, la produzione di fertilizzanti e gli impianti di estrazione dell’etanolo, richiedono quasi altrettanta energia di quella prodotta dall’etanolo stesso. La riduzione di CO2 è quindi marginale ed inoltre l’etanolo non si può trasportare con le esistenti pipelines perché si mescola facilmente con l’acqua che vi penetra. Per questi motivi si lavora per produrre, con metodi di bioingegneria, combustibili identici a quelli fossili e si cercano microbi che si alimentano con gli zuccheri degli scarti agricoli e materiali a base di cellulosa, riducendo la necessità degli scarsi terreni agricoli. Keasling ed i suoi colleghi hanno avuto successo nell’ingegnerizzare l’E. coli per produrre molecole della benzina. Per ottenere l’artemisia dall’E. coli e dal lievito, Keasling aveva effettuato circa 50 cambiamenti genetici aggiungendo geni ed enzimi, per convertire i componenti intermedi nel medicamento, ed aveva incrementato di un milione di volte la produzione. Questo aveva portato il costo medio dell’artemisia ad 1 US$ per grammo. Per un combustibile bisogna fare molto di più. Con 1 US$ al grammo si arriverebbe a 125 US$ al litro per la benzina. In una riunione tenuta in Hong Kong lo scorso mese, Keasling ha presentato una nuova strategia. Il team ha ingegnerizzato l’E. coli per costruire una proteina ed un trio di enzimi ed combinarli nel modo più efficiente per trasformare i materiali di partenza nel risultato finale. Questo dovrebbe aumentare il rendimento del prodotto di 77 volte. Nella baia di S. Francisco i ricercatori della LS9 stanno ingegnerizzando l’E. coli per produrre un petrolio rinnovabile, concentrandosi su un processo che converte zuccheri in acidi grassi e questi in biodiesel. Gregory Pal, direttore della LS9, afferma che la biosintesi degli acidi grassi è la strada maestra con cui gli organismi convertono fonti di energia nei grassi. La compagnia ha già prodotto una varietà di idrocarburi e prevede di aprire un fabbrica per la produzione su piccola scala a metà del 2010. James Liao ed colleghi dell’Università di California, Los Angeles, provano una terza via. Nel numero di Nature del 3 gennaio hanno descritto come ingegnerizzare l’E. coli per produrre isobutanolo, una catena di alcool più lunga dell’etanolo. L’aumento di lunghezza concentra più energia per litro ed il prodotto diviene anche più separabile dall’acqua. Le molecole possono essere convertite in un combustibile miscelabile con la benzina ed anche trasformato in altri composti chimici utili. Liao propone anche altri percorsi di biosintesi per convertire materiali comuni, detti alpha-keto acidi, in amminoacidi. Le cellule hanno il 55% di proteine e queste hanno bisogno di amminoacidi. Il gruppo di Liao sta trasformando batteri di fotosintesi per produrre isobutanolo ed in questo caso si produce biofuel assorbendo la luce del sole e l’anidride carbonica. La produzione diretta di biofuel dagli organismi fotosintetici è il sogno dei ricercatori che lavorano con alghe che, dalla luce del sole e dalla CO2, producono un olio convertibile in biodiesel. Questa tecnica richiede però di coltivare con alghe ampie distese di bassi laghi e separarne poi l’olio. A sud di S. Francisco, la Solazyme cerca di ingegnerizzare parti di alghe naturali per produrre un biodiesel rinnovabile. Invece di far crescere le alghe alla luce, le alimenta al buio in recipienti di acciaio inossidabile con fermenti per convertire zuccheri in olio. Bloccando nelle alghe l’apparato fotosintetico, la produzione di olio diventa più efficiente. Tutte queste tecnologie hanno vantaggi diversi; la biologia di sintesi permette di provare centinaia di miglioramenti in tempi brevi, ma bisogna continuare a provare e l’economia delle tecnologie migliora con la produzione su grande scala. Inoltre la richiesta di biofuel è così grande che ci potranno essere molti vincitori nelle varie soluzioni. Nel breve termine i biofuel ricavati dagli organismi saranno dipendenti dai prodotti dell’agricoltura che devono produrre gli zuccheri necessari ai microbi e, anche se si potranno convertire in zuccheri gli scarti di cellulosa, una parte degli scarti deve tornare al terreno per nutrirlo. Certo la nuova generazione di biofuel non rimarrà a lungo in fase di progetto e si arriverà alla produzione.
Science, 27 Feb 2009, Vol. 323, pg. 1176 - Jeff Scruggs and Paul Jacob - Più di 30 anni fa sono stati proposti sistemi per produrre energia elettrica dalle onde degli oceani e recentemente sono diventati una tecnologia attuale. Il potenziale di questa risorsa è promettente specie lungo le coste a latitudini fra 40° e 60° in ambedue gli emisferi. Nel Regno Unito, per esempio, si è stimata una capacita di 55 TWh per anno da sfruttare al largo delle coste che è circa il 14% della necessità nazionale. In Europa si può valutare a 289 TWh per anno; negli Stati Uniti è stata valutata a 255 TWh per anno (6% della richiesta) comparabile con l’energia ottenuta dalle fonti idroelettriche. Questo tipo di energia potrebbe diventare competitiva con le altre fonti rinnovabili. L’energia utilizzabile è proporzionale al prodotto del periodo di oscillazione delle onde e della loro ampiezza e la locazione ottimale è dove la profondità è fra 40 e 100 m, perché qui i due fattori sono massimi. I convertitori di energia delle onde (WEC) sarebbero quasi invisibili dalla costa, ma come tutte le rinnovabili hanno una densità di energia limitata e richiedono alti investimenti. C’è una grande varietà di proposte per estrarre energia dagli oceani con configurazione e tecnologie diverse e solo recentemente alcune sono state sperimentate su ampia scala, ma non c’è ancora un consenso sulla scelta delle soluzioni. La soluzione base è un galleggiante ancorato sul fondo con una parte mobile verticalmente che produce l’elettricità, in risonanza con il periodo dominante delle onde. Un altro tipo di WEC è una struttura flessibile con lunghezza comparabile alla lunghezza delle onde (circa 30 m) ed orientata nel senso di propagazione a forma di cilindro articolato da giunti con sistemi idraulici che generano l’energia. Per la conversione in energia elettrica si usano magneti permanenti che producono energia dal moto o sistemi idraulici con accumulatori di pressione e generatori rotanti. I WEC sono ottimizzati per estrarre potenza da una particolare frequenza mentre e le onde hanno un andamento variabile che riduce l’efficienza. Le strutture devono essere resistenti e protette dalle sollecitazioni, resistere alla corrosione dell’ambiente marino, essere affidabili e permettere la manutenzione.
Science, 3 Apr 2009, Vol. 324, pg. 74 - Stephan W. Kohl - Il progetto di un sistema catalitico efficiente per decomporre l’acqua in idrogeno ed ossigeno con l’uso della luce solare, senza sacrificare sostanze riducenti ed ossidanti è oggi una delle più importanti sfide della scienza chimica per sostenere l’uso dell’idrogeno come potenziale combustibile sostenibile. Per questo è necessario comprendere le basi dei passi fondamentali nei processi che sono coinvolti. Delle due parti che costituiscono il ciclo di decomposizione dell’acqua, il mezzo ciclo di ossidazione che forma l’ossigeno presenta lo scoglio maggiore. I complessi ossidanti che catalizzano questo processo sono rari e generalmente richiedono il sacrificio di questa sostanza. Il meccanismo molecolare generalmente coinvolge metalli ed i principi chimici responsabili della formazione del legame O-O sono complessi. Una soluzione si è trovata con la fotogenerazione di idrogeno ed ossigeno basato su complessi metallici solubili che combinano due mezzi cicli evitando la perdita di ossidanti e riducenti. La sequenza delle reazioni è mediata da un composto che contiene rutenio e che genera l’idrogeno con l’energia termica e l’ossigeno in modo fotochimico. Si parte da un composto hydrido-hydroxo in cui il metallo rutenio (Ru) è legato a H, OH e CO e per attivazione termica con H2O libera H2 mentre il Ru trasforma il suo legame con H in un altro legame OH. Il secondo passo è l’azione fotolitica di un fotone che ricostituisce il composto originale liberando una mezza molecola di O2. Questo è uno schema semplificato e potrebbe passare anche per la formazione di un perossido di idrogeno. La reazione stechiometrica completa coinvolge due molecole di hydrido-hydroxo e due molecole di acqua che producono due molecole di idrogeno e due del nuovo composto intermedio. Queste con due fotoni liberano una molecola di ossigeno e ricostituiscono le due molecole del catalizzatore.
Science, 10 Apr 2009, Vol. 324, pg. 172 - Dan Charles - Nel pomeriggio del 26 febbraio 2008 il vento diminuì di intensità in una zona del Texas occidentale, luogo di grandi centrali eoliche, e, nel corso di tre ore, il contributo delle turbine alla rete di elettricità dello stato scese del 75%. Si è trattato di una caduta di 1500 MW, equivalenti a tre centrali a carbone di media grandezza, durante un picco di richiesta e, alle 6:30 del pomeriggio, il sistema di trasmissione segnalò che era vicino al collasso. Fortunatamente i dirigenti della rete di stato, sfruttando gli accordi con grandi clienti industriali, riuscirono ad ottenere una temporanea riduzione di richiesta in cambio di un canone ridotto e, entro 10 minuti, una riduzione di 1200 MW del carico sulla rete stabilizzò la situazione. L’episodio è un chiaro avvertimento su come l’energia rinnovabile tratta dalla natura possa complicare il lavoro sulla rete di distribuzione. Episodi simili potranno diventare molto comuni se verrà realizzato il piano di massiccia espansione di energia dal vento e dal solare. Ambedue queste sorgenti sono variabili ed imprevedibili e la rete elettrica deve diventare intelligente e sempre più agile. La richiesta di reti intelligenti è diventata ormai una routine a Washington DC ed il programma del presidente Obama ha un incentivo di 4,5 milioni di US$ per un progetto dimostrativo di una rete intelligente. Servizi pubblici, laboratori ed università sono in competizione per questi fondi. Si studiano sistemi di misura distribuiti per determinare i consumi degli utenti, si pianificano linee di trasmissione di alta capacità per portare l’energia del vento e del sole verso le città e creare linee dedicate alle energie rinnovabili. Un aspetto importante è di trovare una soluzione alle variazioni casuali positive e negative ad all’affidabilità dei sistemi. La rete elettrica richiede un perfetto bilancio fra potenza fornita da migliaia di centrali, sottostazioni e linee di trasmissioni e la domanda degli utenti. Se è insufficiente, le linee si riscaldano, la tensione cala e si aprono gli interruttori automatici per proteggere le parti che ancora funzionano. Per compensare intervengono le turbine a gas e le centrali a carbone che forniscono più vapore alle turbine dei generatori. I sistemi attuali non sono però abbastanza svelti per i generatori eolici e solari che provocano aumenti e cadute nell’arco di secondi o minuti. Questa variabilità non ha ancora provocato problemi perché l’attuale contributo delle fonti rinnovabili è solo circa l’1%, ma molti stati, come la California, New York ed Illinois, hanno approvato leggi che chiedono di arrivare al 20% per le energie rinnovabili entro 10-20 anni ed il Congresso vuole estenderle a tutta la nazione. Uno studio della General Electric ha mostrato le conseguenze nel Texas nel caso si incorporasse nella rete un contributo di 15000 MW di energia eolica. La predizione è che circa 2 due volte l’anno la potenza eolica cadrebbe a 2400 MW in meno di 30 minuti. In caso di nuvole, l’energia solare cadrebbe nell’arco di pochi minuti. Il servizio pubblico richiede sistemi di accumulo di energia e reti che convogliano potenza da grandi aree. Per gestire la variabilità con una rete intelligente si richiedono sensori che controllano lo stato della tensione sulle linee e reagiscono istantaneamente. Queste tecnologie esistono, ma la loro installazione su larga scala costerebbe miliardi di dollari. L’introduzione di una quota maggiore di rinnovabili richiede analisi più sofisticate e predizioni più accurate del tempo meteo, altrimenti l’unica soluzione è quella di mettere in funzione generatori di riserva a gas, perdendo i vantaggi delle rinnovabili. Sistemi idroelettrici con dighe e bacini sono dei grandi accumulatori di energia che possono reagire rapidamente fornendo rapidamente la potenza mancante. Un’altra soluzione è di accumulare energia con aria compressa in grandi caverne sotterranee. Due di questi sistemi esistono negli Stati Uniti ed in Germania. Un nuovo sistema allo studio potrebbe fornire con normali turbine a gas una potenza di 400 MW per circa 10 ore. Altri progetti più piccoli ricorrono all’accumulo di energia mediante volani che compensano modeste fluttuazioni della potenza del vento. Gli utilizzatori potranno anche provocare picchi di assorbimento con la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici concentrata in certe ore. Una rete intelligente deve sfruttare la comunicazione bidirezionale fra produttori e consumatori per bilanciare i consumi nelle diverse ore del giorno e della notte, sfruttando costi differenziati. Le sorgenti rinnovabili sono ancora visti come un pericolo per le reti, ma le soluzioni ci sono e non presentano difficoltà insormontabili. Basta spendere un po’ di denaro per renderle compatibili.
Science, 15 May 2009, Vol. 324, pg. 891 - Richard M. Swanson - La potenza fotovoltaica (PV) totale ha avuto eccezionali progressi tecnologici e crescita di mercato. Negli ultimi 20 anni la fabbricazione è cresciuta di un fattore 200 raggiungendo i 5 GW nel 2008. La capacità installata totale è ora intorno a 15 GW. Questa è una quantità molto modesta rispetto ai 4000 GW di potenza elettrica generata installata nel mondo, è solo uno 0,375%. Ci si aspetta tuttavia una simile rapida crescita nei prossimi 20 anni. In questa situazione di evoluzione gli investitori devono stabilire quali tecnologie e compagnie sono meglio posizionate ed i politici stabilire quale deve essere il ruolo della potenza PV nel mix di fonti di energia, i pianificatori l’impatto che potrà avere sulla rete di distribuzione, governi ed industrie dove allocare i fondi per ricerca e sviluppo, i cittadini dovranno infine scegliere tra i tanti messaggi in conflitto. Il costo delle celle solari si è andato riducendo. Nel 2000 la tipica cella solare richiedeva 15 grammi di silicio raffinato e costoso per generare un watt di potenza, oggi la SunPower Corporation usa solo 5,6 g/W. Il costo di fabbricazione dei moduli in silicio cristallino è intorno a $1,4/W. In 5 anni il costo di fabbricazione scenderà a $1,0/W. Nei prossimi 5 anni il costo di una centrale PV diventerà competitiva alle centrali a gas naturale anche senza gli incentivi federali negli investimenti. Nei vantaggi offerti dalla soluzione PV va considerata la mancanza di rischi sul costo del gas, l’assenza di emissione di gas serra, le dimensioni dell’impianto ed il non impiego di acqua. Anche i tempi di costruzione sono brevi. In Spagna si sono installati 2 GW di potenza PV nel corso del 2008, mentre un sistema convenzionale da 2 GW richiede da 10 ai 15 anni. I moduli PV di silicio cristallino convenzionale hanno ora la concorrenza delle nuove tecnologie a film sottile che però presentano un’efficienza di conversione minore. Questo porta ad un più alto costo di installazione e quindi ad una quasi parità del costo a livello di sistema. I moduli al silicio cristallino saranno probabilmente vincenti nel lungo termine. Il futuro delle nostre fonti di energia comincia a diventare più chiaro. Il PV non la sarà la soluzione unica, ma avrà il suo posto come una delle maggiori fonti di energia, insieme all’efficienza, alle altre rinnovabili, al nucleare ed alle fonti convenzionali migliorate, forse con il sequestro dell’anidride carbonica. La transizione alla nuova economia “carbon free” dovrà avvenire nei prossimi 50 anni.
Science, 22 May 2009, Vol. 324, pg. 1055 - J. E. Campbell - Le preoccupazioni sui prezzi del petrolio e per le emissioni di gas serra stanno spostando gli investimenti della ricerca sulle tecnologie alternative del trasporto, ma quelle più favorite sono in discussione. L’uso dei terreni agricoli per coltivare le piante dedicate alla produzione di biocombustibili fa discutere e si mettono in confronto le due tecnologie alternative per il trasporto: l’etanolo prodotto dalla cellulosa e dalle biomasse da usare per il trasporto con ICV (Internal Combution Vehicles) oppure la conversione delle biomasse in elettricità per il trasporto basato sui BEV (Bactery Electric Vehicles). La soluzione etanolo ha il vantaggio di utilizzare veicoli commerciali flessibili nell’uso dei combustibili, ma richiede sostanziali investimenti per ridurre i costi di trasformazione della cellulosa in etanolo. Il percorso della bioelettricità è promettente per l’offerta emergente dei veicoli elettrici e perché l’elettricità prodotta dalle biomasse può essere implementata in molti modi in impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Ambedue le soluzioni sono potenzialmente adatte a raggiungere l’obiettivo, tuttavia la coltivazione delle piante atte ai biocombustibili deve massimizzare l’efficienza, data la limitazione delle terre coltivabili necessarie all’alimentazione umana. Uno studio ha dimostrato che la conversione delle biomasse in elettricità è più vantaggiosa sia come capacità di trasporto che per riduzione dei gas serra e per unità di area impiegata rispetto alla soluzione dell’etanolo prodotto dal mais. L’indagine è stata estesa ad una grande varietà di piante e tecnologie di conversione in etanolo inclusa la cellulosa. Il bilancio energetico include l’energia necessaria per coltivare le piante e convertirle in etanolo o elettricità ed il confronto dei veicoli include l’energia per costruirli ed il loro rendimento. L’uso della cellulosa comporta una maggiore efficienza rispetto al mais, tuttavia il risultato netto del trasporto per ettaro è maggiore nel caso della bioelettricità. Il confronto con l’uso di piccoli sport utility vehicles (SUV) su autostrada ha dato un risultato per ettaro 85% maggiore per la bioelettricità rispetto all’etanolo da cellulosa. Anche tenendo conto dei maggiori costi dei veicoli elettrici, il vantaggio netto si porta al 56%. Un’altra analisi che considera sistemi ad alta efficienza come l’impiego di ICV ibridi e sistemi di generazione di potenza IGCC escludendo BEV a lunga distanza, risultano con un vantaggio netto del 95% nel trasporto a bioelettricità rispetto a quello con biocombustibile. Altri criteri potranno cambiare il giudizio nel confronto fra i due sistemi come la tossicità ed il riciclaggio delle batterie, inoltre la competitività dell’etanolo a biomassa dipende dal costo del petrolio, mentre quella dell’elettricità dipende dal costo di generazione con le varie fonti rinnovabili, ma i grandi margini di efficienza nello sfruttamento delle limitate risorse di superfici agricole mantengono il predominio della bioelettricità.
Science, 5 Jun 2009, Vol. 324, pg. 1257 - Robert F. Service - Nel maggio 2007 gli ingegneri della General Motors hanno pompato 8 kg di idrogeno compresso in due macchine GM Sequels munite delle più avanzate fuel cell a idrogeno. La due macchine hanno percorso 482 km ed hanno emesso solo vapore acqueo invece di 90 kg di anidride carbonica. Il mese scorso tuttavia, il Segretario per l’Energia Steven Chu ha annunziato che il Department of Energy (DOE) ha frenato le ricerche per le automobili a fuel cell motivando con il costo e durata dei veicoli a fuel cell, l’incapacità di accumulare grandi quantità di idrogeno, la mancanza di metodi di produzione di idrogeno senza l’uso di carbone e la necessità di costruire le infrastrutture di rifornimento a livello nazionale. Molti scienziati ed esperti di energia pensano però che Chu abbia posto le domande sbagliate perché a lungo termine solo due tecnologie, fuel cell a idrogeno e veicoli elettrici, potranno risolvere il problema. Ci sono certamente problemi in ambedue le tecnologie, ma l’idea di escluderne una è miope. Le fuel cell sono state inventate nel 1839 con l’uso di un catalizzatore per combinare idrogeno ed ossigeno e produrre acqua ed elettricità e la visione di una economia dell’idrogeno libera dal carbone è stata ricorrente. Nel 2003, l’Amministrazione Bush abbracciò questa idea con un programma di ricerca da 1,5 miliardi di US$ per rendere pratici e convenienti i veicoli a fuel cell. Anche le compagnie automobilistiche hanno speso miliardi di dollari per produrre le nuove generazioni di auto e Toyota, GM e Honda hanno detto che continueranno ad investire in queste tecnologie indipendentemente da quello che deciderà il DOE. L’osservazione più importante è la sorgente primaria di potenza. La maggior parte dell’elettricità degli Stati Uniti è generata bruciando carbone ed il carbone produce due volte più anidride carbonica dei gas naturali con cui normalmente si produce l’idrogeno. Inoltre i sistemi elettrici a fuel cell sono due volte più efficienti dei motori a combustione usati nei sistemi ibridi. L’Amministrazione Obama ha già richiesto di tagliare l’emissione di carbonio degli USA dell’80% sotto il livello del 1990 entro il 2050. Nel settore del trasporto, che influisce per più di un quarto di tutta l’emissione, non si potrà raggiungere questo obiettivo senza i veicoli ad idrogeno. Un rapporto del National Research Council (NRC), pubblicato lo scorso anno, ha concluso che l’orientamento sui veicoli ibridi gas-elettrici e l’uso di biofuel potrebbe essere un primo passo per ridurre le emissioni di anidride carbonica. L’idrogeno poi ha un potenziale maggiore a lungo termine. Le maggiori preoccupazioni del DOE sono nell’alto costo del catalizzatore a metalli preziosi che usano le fuel cell. Attualmente i sistemi a fuel cell costano 73 US$ a kilowatt in serie secondo una recente stima con una riduzione del 74% dal 2002, ma sempre il doppio dell’obiettivo di costo del 2015. Un altro problema è l’autonomia delle attuali automobili. Un serbatoio ad alta pressione usato oggi nelle macchine a fuel cell fornisce un’autonomia di 320 km. Entro il 2015 il DOE spera di ottenere 480 km che dovrebbe soddisfare i consumatori. Un altro problema è la durata. Alcune delle fuel cell operano per 2000 ore senza richiedere manutenzione; questo equivale a 96000 km di percorso. Il DOE vorrebbe portare questa durata a 5000 ore. Per ultimo, nonostante il vasto uso dell’idrogeno nell’industria, non esistono infrastrutture di produzione e fornitura così vaste per soddisfare dove e quando vogliono gli automobilisti. La produzione di massa delle automobili a idrogeno richiede ancora 20 anni e se non si risolve il problema dell’autonomia gli acquirenti non acquisteranno le auto. Le auto a fuel cell non sono l’unica alternativa, ci sono i veicoli elettrici a batteria (BEV) che però hanno costi e problemi tecnici specifici. La loro produzione di massa richiederà ancor diverse dozzine di anni e le batterie migliori saranno costose. Nel 2007 uno studio del Massachusetts Institute of Technologie (MIT), facendo una proiezione dei costi delle nuove tecnologie, ha trovato il loro impatto sui costi delle auto. Un sistema plug-in ibrido, con 16 km di autonomia tutta elettrica, avrà un extracosto di 3000 US$, mentre un veicolo tutto elettrico con 320 km di autonomia dovrà aggiungere 10200 US$. L’auto tutto a idrogeno, che sarà il vincente a lungo termine, avrà un extracosto di 3600 US$. Nessuna delle tecnologie sarà senza conseguenze ed il confronto sarà sempre fra costo delle batterie contro quello delle fuel cell. Ambedue le tecnologie dovranno trovare il miglior modo per fornire energia al cliente e la sfida maggior sarà quella dei veicoli a idrogeno per i quali vi sono solo 71 stazioni di rifornimento negli Stati Uniti ed in Canada. NRC ha stimato che il governo federale dovrà spendere 110 miliardi fra il 2008 ed il 2023 per sostenere le infrastrutture dell’idrogeno. La rete elettrica di ricarica dei veicoli a batteria e dei trasporti leggeri è invece in gran parte disponibile. Ma la ricarica richiede diverse ore in confronto ai pochi minuti della ricarica dell’idrogeno. Positive sono le proiezioni per la durata delle fuel cell e per la produzione dell’idrogeno. Le 5000 ore sono state già ottenute in laboratorio ed il gas naturale può essere trasformato in idrogeno al costo di 3 US$ al kg. Il miglioramento delle tecnologie delle energie rinnovabili favorirà la produzione dell’idrogeno e dell’elettricità.
Science, 24 Jul 2009, Vol. 325, pg. 379 - Robert F. Service - Dopo anni di scetticismo sulla promessa di biofuel, la ExonMobil ha deciso di fare su di esso la sua più grande scommessa. La scorsa settimana, la seconda più grande compagnia, ha annunziato che spenderà 600 milioni di US$ in 5-6 anni per produrre biofuel dalle alghe. Metà della somma andrà alla Synthetic Genomics Inc. (SGI), di San Diego, California, del pioniere della genomica J. Craig Venter. Gli altri 300 milioni saranno spesi in ricerche interne per promuovere la produzione di serie e perfezionare la produzione del biofuel. Venter dice che ha già ingegnerizzato alcune specie di alghe per produrre idrocarburi dalle cellule. Questo gli ha permesso una produzione continua in bioreattori. La compagnia pianifica di costruire un grande impianto a San Diego per provare migliaia di specie di alghe e ingegnerizzare quelle che producono in maggiore quantità. Le alghe hanno intrinseci vantaggi rispetto ad altri biofuel e il carburante che producono può essere convertito in quello convenzionale per il trasporto e distribuito nelle attuali infrastrutture. Rimangono ancora molti ostacoli. Fra i più grandi è quello di ingegnerizzare le alghe per produrre di più e per rendere le molecole più simili alla benzina raffinata. Il problema finale è quello di arrivare ad una produzione di massa. La concorrenza è già iniziata. La LS9 Inc. a sud di San Francisco, in California, vuole ingegnerizzare l’Escherichia coli, invece delle alghe, e spera di aprire una produzione su larga scala in Brasile entro il 2013. L’Aurora Biofuels, in Alameda, California, si aspetta di avere biofuel commerciale dalle alghe entro il 2012 e Algenol pianifica di vendere biofuel dalla sua fabbrica in Messico alla fine dell’anno.
Science, 4 Sep 2009, Vol. 325, pg. 1200 - Robert F. Service - Per sfruttare l’energia solare come fonte principale, i ricercatori hanno bisogno di trovare il modo per immagazzinarla, preferibilmente sotto forma di combustibile chimico. Le piante lo fanno attraverso la fotosintesi e sfruttano un catalizzatore a base di manganese. Nella riunione dell’American Chemical Society (ACS) del 16-20 agosto, a Washington DC, un team ha presentato una proposta che imita la catalisi naturale in una cella solare e trasforma la luce solare in combustibile. La fotosintesi usa la clorofilla e altre molecole per catturare la luce solare. L’energia eccita gli elettroni e un catalizzatore di ossido di calcio e manganese spezza l’acqua in ossigeno molecolare e ioni idrogeno usati per generare l’energia chimica per le piante. Per molti anni i ricercatori hanno cercato di realizzare una versione sintetica del catalizzatore naturale al manganese, ma le piante usano un insieme di proteine per disporre gli atomi di manganese in una forma cubica. Un precedente team ha realizzato una struttura simile incorporandovi una membrana che conduce i protoni. Nell’ultimo lavoro presentato, la cella solare è costituita da due elettrodi, un anodo di un vetro conduttivo che fa passare la luce ed un catodo in basso separati da una membrana plastica su cui è depositato il catalizzatore di ossidi di manganese che decompone l’acqua in idrogeno ed ossigeno e permette ai protoni di passare verso il catodo. Dal lato dell’anodo sono disperse nanoparticelle di ossido di titanio ricoperte da un pigmento organico (dye) sensibile alla luce. La luce, che attraversa l’anodo trasparente, è catturata dal pigmento delle nanoparticelle e libera elettroni che, raccolti dall’anodo, sono convogliati dal circuito esterno sul catodo e neutralizzano i protoni generando idrogeno molecolare. La cella è detta dye sensitized solar cell (DSSC) e fornisce quasi 15 volte più idrogeno delle celle convenzionali.
Science, 2 Oct 2009, Vol. 326, pg. 52 - J. R. Selman - Gli elettrodi delle fuel cell hanno tre funzioni: permettere l’accesso ai gas della reazione, provvedere una funzione attiva elettrocatalitica e permettere il trasporto degli elettroni e degli ioni. Le fuel cell ad alta temperatura generano potenza elettrica mediante combustione elettrochimica del combustibile invece di una combustione chimica. Questo si ottiene mediante assimilazione del combustibile a base di carbonio usando un catalizzatore interno. Tuttavia lo zolfo dei combustibili è un potente veleno per l’elettrocatalizzatore al nickel usato nell’anodo. Un altro svantaggio del nickel è che, quando si usa metano o altri idrocarburi in una solid-oxide fuel cell (SOFC) con un anodo di Ni e YSZ (yttria-stabilized zirconia), i depositi di carbone riducono l’attività dell’anodo. Il nichelio in effetti funziona da catalizzatore per i depositi di carbonio che però bloccano le zone attive dell’anodo e nel caso peggiore distruggono la sua struttura. Lei Yang e altri del Georgia Institute of Technology di Atlanta, in Georgia, hanno dimostrato che si può usare un materiale alternativo per l’anodo di un SOFC che offre una maggior tolleranza all’avvelenamento e alla deposizione del carbonio. La riduzione delle prestazioni dovute all’avvelenamento da zolfo, ad esempio con solo 2,5 parti per milioni (ppm) di acido solfidrico nel gas usato dal SOFC, operando a 800 °C, è del 12,5%. Se il contenuto di zolfo è più alto di pochi ppm, l’avvelenamento può essere irreversibile in meno di una settimana di funzionamento. Poiché la vulnerabilità dell’anodo Ni-USZ non può essere rimediata, attualmente è necessario rimuovere lo zolfo dal combustibile ben al di sotto di 1 ppm con aumento di costo della generazione di potenza del 3-4%. Yang ha proposto un differente tipo di costruzione dell’anodo con bario-zirgonio drogato da una particolare coppia di terre rare. Il progetto molecolare di questo materiale è particolarmente sofisticato per determinare efficacia e selettività della catalisi. Se la verifica dell’esperienza sarà positiva, la tecnologia SOFC e delle celle ibride ad alta temperatura avrà interessanti possibilità.
Science, 6 Nov 2009, Vol. 326, pg. 778 - Adrian Cho - La tecnologia delle temperature ultrabasse fino ai millesimi di gradi sopra lo zero assoluto, dove si evidenziano molte proprietà quantomeccaniche, richiede l’uso dell’elio-3, l’isotopo più leggero dell’elio. Di recente la Leiden Cryogenics B.V. olandese non è stata in grado di approvvigionarlo nelle quantità richieste da un istituto. Si teme che questa mancanza sarà sempre più sentita in futuro perché la richiesta è esplosa dal 2002, quando lo US Department of Homeland Security (DHS) e il Department of Energy (DOE) hanno cominciato a usare migliaia di rivelatori di neutroni riempiti di elio-3 per prevenire il contrabbando di plutonio ed altri materiali radioattivi negli USA. In breve la richiesta salirà a 65000 litri per anno, mentre la disponibilità si mantiene sui 10000-20000 litri per anno, secondo uno studio del DOE. I rivelatori di neutroni a elio-3 sono usati per prove di materiali nel nuovo Japan-Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) a Tokai. Le proiezioni sono di 100000 litri per i prossimi 6 anni per le 15-23 linee di rivelatori. I fisici delle basse temperature dicono di aver bisogno di 2500-4500 litri di elio-3 per anno per i nuovi refrigeratori, perché l’elio-3 è l’unica sostanza che rimane liquida fino allo zero assoluto e solo con una mistura di elio-3ed elio-4 si arriva sotto lo 0.8 kelvin. L’elio-3 ha anche un ruolo in medicina nell’analisi dei polmoni con MRI (Magnetic Resonance Imaging) facendolo inalare ai pazienti. L’elio-3 si ottiene per decadimento radioattivo del tritio generato nei reattori nucleari e il tritio è un ingrediente delle bombe a idrogeno. Per decenni, Stati Uniti e Unione Sovietica hanno mantenuto grandi riserve di tritio e dal suo decadimento si ricavava l’elio-3. Dopo la fine della Guerra Fredda, ambedue hanno ridotto queste riserve e, dai 60000 litri/anno, prima del 2009 si è passati ai 35000/anno. La Russia può fornire poche migliaia di litri l’anno e lo stesso il Canada, che ha anche una riserva di 80000 litri. I ricercatori cercano soluzioni alternativa all’elio-3, specie per i rivelatori di neutroni che negli ultimi 5 anni hanno impegnato l’84.5% delle forniture annue. Alternative sono tubi riempiti di boron-trifloruro o fibre di vetro che emettono luce quando sono colpite da neutroni. Nessuno è però un sostituto perfetto, ma DHS e DOE cominceranno presto ad usarli per necessità. Sono state fissate delle linee guida sulle priorità nell’uso dell’elio-3: nelle applicazioni in cui è insostituibile, quelle della sicurezza e nei progetti dove vi sono investimenti sostanziali. La conseguenza sarà l’aumento del costo rispetto ai tradizionali 100-200 US$ per litro e certi tipi di ricerca diventeranno molto costosi. Entro una decina di anni si esauriranno le riserve e la National Academy of Science ne dovrà tenere conto.
Science, 4 Dec 2009, Vol. 326, pg. 1337 - Michael Hambourger - L’elettrocatalisi è il problema centrale per lo sviluppo delle proton-exchange membrane (PEM) per l’elettrolisi e le fuel cell, che possono operare come unità di energia per le case o i veicoli. Un unico dispositivo può accumulare energia generando idrogeno nei momenti del surplus e rilasciarla con l’ossidazione dell’idrogeno, quando si verifica un eccesso di richiesta. Oggi questo è possibile con l’uso di catalizzatori costosi a base di metalli nobili. Tuttavia è essenziale che una catalisi reversibile venga ottenuta con l’uso materiali abbondanti. Alan Le Goff, del Commissariato dell’Energia Atomica ed il suo team, in Francia, hanno presentato un catalizzatore basato sul nickel immobilizzato in un supporto di nanotubi di carbonio. Questo costituisce una reversibile interconnessione fra ioni idrogeno (H+) e idrogeno molecolare (H2), in presenza di acqua, e rappresenta un passo importante per l’applicazione pratica. Sono necessari sistemi migliori per concentrare ed accumulare energia. Ad esempio un HP di potenza (750 W) si può ricavare da 1 mq di superficie esposta al sole. Sistemi poco costosi, capaci di concentrare ed accumulare energia rinnovabile e che operano in modo reversibile per rilasciare energia a richiesta, sono ideali per utilizzarli in una rete che alimenti i villaggi nel mondo in via di sviluppo. Gli organismi fotosintetici risolvono il problema della concentrazione dell’energia solare, accumulandola in molecole ricche di energia di giorno e bruciandole notte e giorno nei mitocondri delle cellule, come fuel cell isoterme. Batterie, o una combinazione di un combustibile e fuel cell, sono i candidati nelle applicazioni umane. Nel complesso a base di nickel presentato da Le Goff, un legante di diphosphina stabilizza lo stato di ossidazione del nickel e provvede uno ambiente favorevole alla reversibilità della catalisi. Sono stati sperimentati più di 100000 cicli di produzione ed ossidazione dell’idrogeno. Questo composto di nickel è simile all’enzima di idrogenasi per la conversione reversibile fra H+ e H2. Nonostante questo progresso, rimangono dei problemi. Il catalizzatore è dieci volte più lento e le densità di corrente è due ordini di grandezza più bassa di quella ottenuta con gli elettrodi al platino. C’è quindi ancora molto lavoro da fare.
Science, 11 Dec 2009, Vol. 326, pg. 1470 - Robert F. Service - Rich Diver, un ingegnere di tecnologie solari della Scania National Laboratories, ha installato un eliostato, un grande specchio piano che insegue il sole, e un concentratore formato da una parabola da 6.5 m di diametro, formata da 228 elementi riflettenti, che si focalizza su un reattore chimico raggiungendo la temperatura di 1500 gradi. Diver usò questo calore, con un catalizzatore ad ossido di ferro per decomporre l’acqua o la CO2 e produrre idrogeno o monossido di carbonio. I prodotti sono usati per sintetizzare un combustibile liquido da usare dovunque e quando serve. Dopo le prove, il sistema fu disassemblato perché la temperatura era così elevata e variava così rapidamente da frantumate le piastrelle di ceramica che tenevano il catalizzatore. Diver e i suoi collaboratori si sono quindi riuniti, per studiare i miglioramenti della tecnologia, avendo costatato che il sistema aveva funzionato su piccola scala, ma era costoso e non ancora competitivo con altri metodi di produzione di combustibili liquidi senza emissioni di gas serra, come l’etanolo da cellulosa. La produzione di combustibili con la tecnica termochimica solare aveva avuto una spinta dopo l’embargo del petrolio arabo nel decennio 1970, ma la spinta si arrestò quando, nel 1983, il costo del petrolio scese di nuovo. I programmi sui combustibili solari in Svizzera e Germania ripresero nel decennio 1990 per le preoccupazioni sul cambiamento climatico e la paura che l’estrazione del petrolio avrebbe presto raggiunto il picco. Agli inizi del 2003 si fecero dei tentativi, negli Stati Uniti e nella stessa Scania, per la produzione di idrogeno, ma poi i fondi sparirono. Un’altra preoccupazione è quella della sicurezza. Gli USA importano il 58% del petrolio e il settore dei trasporti è il più vulnerabile. Nel 2006 il 21% dell’energia totale nel mondo era consumata dagli Stati Uniti e di questa, più di un quarto, serve per i trasporti, Questo è un campo in cui le nuove tecnologie devono dedicarsi. Nel 2007 il Congresso emise una direttiva perché entro il 2022 si producessero 117 miliardi di litri di etanolo. Questo richiederebbe da dieci a cento milioni di ettari di terreno in funzione dell’efficienza con cui si potranno trasformare le biomasse in etanolo. Questo provocherebbe un’eccessiva pressione sull’agricoltura. Si ritiene che nel 2022 l’etanolo potrà coprire solo il 13% della domanda per i trasporti. Questo è il motivo per cui ci si concentra ora sugli impianti di combustibile da energia solare. Usando l’intero spettro della luce solare e concentrandola, si usa meno terreno che con le biomasse, il fotovoltaico ed altre tecnologie che catturano la luce solare. Robert Wegeng, della Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, ha calcolato il potenziale di una semplice versione di tecnologia solare per i combustibili e di un reattore solare per convertire un gas naturale in una mistura di idrogeno e ossido di carbonio, nota come gas di sintesi. Una centrale solare di 10000 parabole occuperebbe pochi chilometri quadrati di terreno per catturare un gigawatt di energia, sufficiente per produrre, dal gas naturale 2 milioni di galloni di benzina al giorno o 700 milioni di galloni l’anno. In realtà le tecnologie del solare termico permettono di decomporre l’acqua e la CO2, che dopo devono essere separate. Usando catalizzatori e riducendo la temperatura dei reattori si possono produrre H2 e CO separatamente eliminando questo problema. Il sistema di Diver ha due camere per decomporre la CO2. La prima camera è portata a 1500 °C ed il catalizzatore Fe3O4 si riduce in ossido di ferro FeO ed emette ossigeno. La camera si porta poi a 1100 °C e, introducendo CO2 o acqua, si riforma Fe3O4 e viene emesso CO o H2. Altri reattori usano diversi catalizzatori e configurazioni. Il catalizzatore può essere ossido di zinco che si riduce a zinco metallico e il processo cattura il 3,1% dell’energia termica solare. Per il momento nessuno degli attuali sistemi studiati è abbastanza buono. I catalizzatori perdono con i cicli la loro reattività. Un generatore elettrico solare convenzionale ha il 20% di efficienza e, mediante elettrolisi, si può convertire l’acqua in idrogeno con il 65% di efficienza. In totale il processo ha il 13% di efficienza. Si cerca di aumentare l’efficienza in modo più diretto. L’obiettivo è un reattore che converta il 20% del calore in un combustibile, entro il 2020 e di ottenere un gallone di gas per meno di 10 US$. Questo non è certo competitivo con gli attuali combustibili fossili.
Science, 25 Jun 2010, Vol. 328, pg. 1624 – Richard A. Kerr – Vaste riserve di gas naturale si trovano sotto il suolo Americano dal Texas al New England. La trivellazione deve cambiare da verticale a orizzontale e si devono frantumare le rocce che trattengono il gas con iniezione di acqua ad alta pressione. Questo processo è detto “fracing” e renderà disponibile il gas delle rocce scistose. Questa rivoluzione sta risollevando la produzione in declino del gas americano e l’industria del gas naturale. La promessa del gas da scisti, pulito e di produzione nazionale, è interessante perché riduce al 45% le emissioni di anidride carbonica rispetto all’uso del carbone e potenzialmente trasforma tutto il Nord America in una sorgente di energia. Il problema è chiarire la portata del concetto di potenziale perché ogni maglia del processo ha un livello d’incertezza, ad esempio sulla quantità di gas disponibile e sul costo di estrazione. Problemi politici e opposizioni locali possono frenarne lo sviluppo. Il gas delle rocce scistose è una risorsa non convenzionale; è trattenuto nei pori delle rocce a grana fine, dove le sostanze organiche l’hanno prodotto. La tecnica della trivellazione orizzontale, per circa 2,5 km intorno al punto centrale, aumenta la superficie sfruttabile di 5-10 volte. Si deve però operare la fatturazione idraulica delle rocce, o fracing, pompando acqua pressurizzata, con poca sabbia fine e altre sostanze chimiche, a una pressione di 7000 kilopascal. Ripetendo quest’operazione 30 volte e perforando decine di pozzi in ogni sito, si può liberare abbastanza gas dalle rocce impermeabili e trarne profitto. L’aumento del prezzo del gas di origine convenzionale, ha reso conveniente questa tecnica. Nel 2000, il gas da scisti era solo l’1%, ora è il 20%. Il picco di questa produzione si prevede per il 2070. Uno studio prevede la produzione di 300 miliardi di metri cubi di gas per anno in poco più di un decennio e contribuirà in parte al programma di lungo termine dell’energia. Le valutazioni hanno ampi margini d’incertezza e, anche se la risorsa si prospetta imponente, una previsione di 100 anni può variare da 50 a 125 anni e la produzione potrebbe ridursi progressivamente invece di mantenersi stabile. L’esperienza attuale è troppo limitata e molte scelte saranno condizionate dalle politiche energetiche del governo, come ponte per un futuro a basso contenuto di carbonio in vista delle rinnovabili e del nucleare. Numerose preoccupazioni accompagnano ancora lo sviluppo di questa risorsa. La prima riguarda la grande quantità di acqua pressurizzata richiesta per il fracing, che è un problema nelle regioni più aride. Altre sono il pericolo di contaminazione delle falde acquifere sotterranee e la presenza di vaste zone urbane e industriali che richiede una nuova regolamentazione.
Science, 13 Aug 2010, Vol. 329, pg. 616 – Martin Roeb and Hans Müller-Steinhagen – Le sorgenti intermittenti di energia rinnovabile pongono un problema d’immagazzinaggio. Esse devono generare più energia della domanda immediata e devono immagazzinare l’energia da usare quando la sorgente non è disponibile. A parte il pompaggio di potenza idraulica, la conservazione dell’energia elettrica è una sfida tecnica ed economica. Per l’energia solare gli impianti del tipo concentrating solar power (CSP), nelle regioni ricche di sole, danno modo di immagazzinare l’energia su larga scala sia termicamente, sia producendo combustibili chimici. Questi sistemi usano un insieme di specchi che focalizzano la radiazione solare in un’area relativamente piccola di assorbitori e generano una temperatura fra 200 e 1000 °C. Il calore può essere convertito in elettricità generando vapore e parte può essere immagazzinato. In Spagna c’è un sistema che ha una capacità d’immagazzinaggio di 7-8 ore a pieno regime di produzione. Il calore è immagazzinato in sali fusi o con altri materiali a cambiamento di fase e alta temperatura in corso di sviluppo. Ci sono anche impianti CSP che funzionano in modo ibrido con combustibili fossili o biomasse e hanno la capacità di generare potenza per il 100% del tempo. Previsioni industriali mostrano che questi generatori elettrici CSP avranno, entro 15 anni, lo stesso costo di quelli a carbone, gas e petrolio. Il primo impianto CSP commerciale è stato costruito nel deserto di Mohave, in California, più di 20 anni fa, e opera ancora oggi a 345 megawatt (MW). Entro la fine dell’anno, sarà installato in Spagna un impianto da 850 MW di capacità termica e, negli Stati Uniti è stata inaugurata la costruzione di un impianto GSP da 2,5 GW. Il totale dei progetti nel mondo è di 7000 MW. Anche se il potenziale di generazione con GSP è grande, esso è mal distribuito geograficamente rispetto ai consumatori. Studi dettagliati hanno identificato benefici economici e ambientali per un collegamento in alta tensione a corrente continua fra i paesi MENA (Middle East and North Africa) e l’Europa. Il DESERTEC Industrial Initiative vuole fornire il 15% delle esigenze europee e quasi tutte quelle locali, delle nazioni del MENA, entro il 2050, e gli impianti CSP daranno il contributo maggiore insieme con altre rinnovabili, come fotovoltaico ed eolico. Il potenziale dei CSP non è limitato alla generazione di elettricità, ma può essere usato per processi industriali, come la desalinizzazione dell’acqua di mare e per reazioni chimiche che producono combustibili per i trasporti. L’obiettivo è di usare CO2 e acqua per produrre gas di sintesi. La scissione di acqua e CO2 richiede temperature superiori a 2000 °C e si cercano cicli termochimici che riducano queste temperature. Un ciclo a due fasi usa ioni metallici che si ossidano e si riducono (active redox materials) assorbendo radiazione solare. Facendo passare vapore e CO2 in un primo reattore, il redox decompone le molecole e incorpora ossigeno, formando un ossido superiore, e si genera una miscela di H2 e CO che è utilizzata. Alzando poi la temperatura del reattore, con il focalizzare più specchi, il redox rilascia l’ossigeno e si rigenera. Le due camere di reazione possono lavorare anche in parallelo, una per l’ossidazione e l’altra per la riduzione. Il materiale redox può essere la coppia FeO <=> Fe3O4 ma, poiché la temperatura di riduzione del Fe3O4 e superiore a quella di fusione, si può sostituire il Fe con zinco, manganese nickel o cobalto. Un altro redox è basato sulla coppia CeO2 <=> Ce2O3 per la quale il punto di fusione è superiore a quello di riduzione, ma vanno aggiunti altri materiali per migliorare la reattività. Il sistema deve essere ancora perfezionato. Un mini-impianto è stato creato e provato con una fornace solare a Colonia con 10 kW di potenza termica. Un secondo sistema più potente, da 100 kW, è stato installato in Almeria, Spagna.
Science, 13 Aug 2010, Vol. 329, pg. 780 – Richard A. Kerr – Le transizioni passate dalle principali fonti di energia, dal legno al carbone, dal carbone al petrolio e al gas, ci fanno pensare che il prossimo passaggio dai combustibili fossili alle sorgenti di energia alternative, per evitare l’effetto serra, sarà una strada lunga e dura. Il problema maggiore è che, per la prima volta, ci si muove verso nuove sorgenti di energia che sono meno facili da usare e meno convenienti di quelle dominanti al presente, come i combustibili fossili. Fino ad ora si è sempre passati a combustibili migliori. Il petrolio è un concentrato di energia, facile da trasportare e conservare, efficiente e adatto ai motori moderni. Le rinnovabili sono un’altra cosa. Le materie prime, come i semi dei cereali e i frammenti di legno, sono ingombranti. L’energia che contengono è diffusa, piantare vegetali o costruire impianti solari o eolici occupa terreno e l’energia che forniscono è intermittente e difficile da immagazzinare. Non si possono alimentare aerei e automobili con il fotovoltaico. La domanda principale è se possiamo mantenere lo stesso standard di vita attuale con le rinnovabili. L’aspetto più preoccupante della nuova transizione è la sua dimensione estesa. Nel 1800 il legno e gli animali fornivano il 95% dell’energia negli Stati Uniti; da allora la quantità dell’energia è aumentata di 20 volte. Per rimpiazzare la metà del carbone, petrolio e gas, sono necessari 6 terawatt di energie rinnovabili. Per confronto, ora se ne producono solo 0,5 terawatt. Anche i combustibili fossili hanno avuto, però, un modesto inizio. Le forze economiche hanno spinto il passaggio dal legno al carbone e poi al petrolio e al gas, nel XIX e XX secolo. Un fattore è stato la scarsità dei combustibili esistenti. Durante la guerra del 1812, la scarsità di legna costrinse gli abitanti di Philadelphia a bruciare il carbone, per il riscaldamento e l’industria, e il primo pozzo di petrolio fu perforato nel 1858 perché l’olio di balena scarseggiava. Presto il kerosene, estratto dal petrolio, sostituì l’olio di balena per l’illuminazione e gli americani abbandonarono la caccia alle balene. La scarsità non è più un fattore che spinge al cambiamento, perché non c’è scarsità di petrolio e carbone. Il picco arriverà circa nel 2030, più o meno una decade, secondo le stime. Il gas naturale sosterrà la richiesta fino al 2050. Questa continua abbondanza dei combustibili fossili fa risaltare gli inconvenienti delle rinnovabili. Nel confronto, ad esempio, un chilogrammo di petrolio contiene tre volte più energia di un chilogrammo di biomasse vegetali e, in termine di volumi, il rapporto e cinque. Le differenze sono ancora più grandi in termini di densità delle sorgenti per metro quadrato di superficie sulla terra. In una miniera si produce 50 volte di più per metro quadrato che in un impianto solare. Un’altra caratteristica negativa delle rinnovabili è la loro discontinuità nella fornitura. Le centrali a carbone, a gas e a energia nucleare funzionano al 75-90% del tempo, mentre le turbine eoliche restano inerti per il 65-80% del tempo e il sole è garantito solo per il 50% del tempo, senza contare il passaggio delle nuvole. Non esistono ancora sistemi d’immagazzinamento adatti alle energie solari e del vento. Solo la distribuzione geografica accomuna le rinnovabili con i combustibili fossili. Nel Medio Oriente sono concentrate le risorse del petrolio, in Russia quelle del gas e negli Stati Uniti il carbone. Per le rinnovabili, la maggior parte delle regioni più ventose e assolate sono disabitate. L’energia elettrica deve quindi essere trasferita su grandi distanze per arrivare ai centri popolati. Per le biomasse ogni terreno è utilizzabile, ma è insufficiente per i bisogni. Per esempio, l’etanolo prodotto dai cereali può sostituire solo il 15% della benzina usata negli Stati Uniti. L’energia solare è l’unica rinnovabile che potrebbe soddisfare tutte le esigenze future. La potenza che arriva sulla terra è di 101000 terawatt, mentre quella attualmente consumata nel mondo è di 15 terawatt e oggi solo lo 0,1% è fotovoltaico. I combustibili fossili hanno impiegato 50-70 anni per diventare di uso comune come oggi ed erano estremamente attrattivi; questo per creare le infrastrutture per l’estrazione e il trasporto e per le tecnologie dell’uso. Le rinnovabili saranno più lente perché non hanno attrattive e costano di più. Nel 2008 l’ex vice presidente Al Gore sfidò gli Stati Uniti a produrre il 100% dell’elettricità dalle rinnovabili nei successivi 10 anni, ma è stata solo una grande illusione. L’unico evidente vantaggio delle rinnovabili è di non produrre gas serra come l’anidride carbonica, ma richiedono una transizione culturale e tecnologica. I politici dovrebbero guidare l’economia, aumentando il costo dei combustibili fossili e finanziando le rinnovabili. Per il momento, la cosa più semplice è ridurre i consumi e si hanno le tecnologie per ridurli anche drasticamente, aspettando che il tempo abbassi il costo delle rinnovabili.
Science, 13 Aug 2010, Vol. 329, pg. 788 – Eli Kintisch – Dopo la costruzione di tre torri eoliche nell’isola di Vinalhaven, nel Maine, molti residenti hanno apprezzato la nuova energia pulita ma poi hanno giudicato il rumore delle pale noioso e che disturbava la pace del luogo. Molti problemi e preoccupazioni accompagnano l’installazione delle centrali eoliche, dall’eccesso di rumore, alla minaccia per gli uccelli, il traffico aereo e perfino per la sicurezza nazionale e questo ha cominciato a fare presa sull’opinione pubblica. La guerra ai siti di questi impianti rischia di bloccare il programma del 20% di energia eolica negli USA. Per raggiungere quest’obiettivo, negli USA si dovrebbe passare dai 35 GW attuali ai più di 300 GW Questo richiede la costruzione di circa 100000 nuove turbine eoliche. Gli sforzi per comprendere l’impatto sull’ambiente delle pale eoliche sono cominciati due decenni fa, dopo che si cominciarono a raccogliere migliaia di uccelli morti, comprese delle aquile, ai piedi delle turbine ad Altamonte Pass, in California. Si cominciò con il togliere le turbine dai luoghi più problematici e a spaziare le torri. Una minaccia specifica era quella ai pipistrelli migratori che in un impianto eolico del West Virginia subivano circa 4000 perdite ogni anno. Un’ipotesi era che i pipistrelli volano lungo le dorsali dei monti, siti preferiti dalle turbine, e che si potevano spegnere le turbine nel periodo delle migrazioni. Si scoprì anche che alzando di poco la minima velocità di funzionamento delle turbine, il numero delle uccisioni diminuiva drasticamente. Un altro metodo è di usare gli ultrasuoni per scacciare i pipistrelli, perché disturbano i loro sonar. Un altro problema delle pale è il disturbo provocato sui radar che confonde il traffico militare e civile. Questo problema si aggraverà all’aumentare degli impianti eolici e sarà necessario rendere le pale stealthy, cioè meno visibili ai radar. Il rumore che infastidisce gli abitanti aumenta con la velocità delle pale, ma anche l’efficienza aumenta con la velocità, è un problema di takeoff fra efficienza e rumore e questo potrebbe corrispondere solo a qualche percento di potenza in meno. Alcuni pensano che l’attitudine negativa delle persone tenderà ad attenuarsi con il tempo e l’abitudine.