Innovazione ed energia

La futurologia esiste, ma non è una scienza esatta. Un esempio, il problema dell’approvvigionamento di energia per il pianeta terra. Si tratta sicuramente di uno dei problemi cruciali per il XXI secolo. Citando Richard Smalley (premio Nobel per la chimica) ce ne sono altri nove: acqua, cibo, ambiente, povertà, guerre e terrorismo, malattie, istruzione, democrazia e aumento demografico. In realtà, ciascuno di questi è strettamente correlato agli altri, tanto che l’umanità affronta un unico problema: la sopravvivenza sostenibile. Il problema è estremamente complesso, ha molte variabili e non esiste un’unica soluzione. Le condizioni iniziali e le leggi che governano il fenomeno non sono note, quindi ogni previsione è estremamente incerta, non-scientifica per definizione. Tuttavia che le fonti fossili di energia siano ad esaurimento è cosa certa. Il quando non lo è. Dal 1970 ad oggi il “picco” del petrolio (ovvero massimo sfruttamento prima del declino di questa risorsa) si sposta sempre più in là. Le cause di questo prolungamento di agonia sono la scoperta di nuovi giacimenti, la messa in opera di nuove tecniche di estrazione, le nuove tecnologie di raffinamento e anche quelle di utilizzo. Ad oggi, la previsione per il picco petrolio sta fra il 2015 e il 2040. Altre risorse di energia sono in attesa di una riscossa.

La più importante è il carbone, di cui abbiamo immense scorte. Come tutte le sorgenti fossili, che vengono “bruciate” in qualche modo, l’uso del carbone comporta un importante sfida all’ambiente. Nel caso specifico richiede lo sviluppo di nuove tecnologie di cattura e sequestro dell’anidride carbonica (CCS), il più importante tra i gas serra.

E’ curioso notare che già nel 1273 fosse stata promulgata una legge, da re Edoardo I di Inghilterra, che vietava la combustione di carbone in zone pubbliche. La legge, che pure prevedeva la pena di morte per i trasgressori, pare fu totalmente disattesa. Il tavolo dell’energia ha molte gambe, petrolio, gas naturale, carbone, nucleare, bio-masse, rinnovabili (eolico, solare termico, solare fotovoltaico, fotoelettrolisi dell’acqua).

Tutte le fonti di energia disponibili devono essere considerate da un punto di vista oggettivo di convenienza energetica, ma anche geografica e politica, e quindi le soluzioni saranno diverse da paese a paese. In assenza di tecniche efficaci di CCS, le fonti “carbon-free” hanno un vantaggio per l’impatto ambientale, e meritano attenzione. Un’osservazione importante nella storia della tecnologia umana è la seguente: l’età della pietra non è finita per mancanza di pietre. Ovvero, cambiare per introdurre nuove forme di approvvigionamento energetico ha un senso anche quando le attuali risorse non sono in questione, se il cambiamento porta a migliori condizioni di vita in generale. Tra le varie soluzioni pulite ed economiche consideriamo l’energia solare. Sono ben noti gli argomenti a favore e contro. In un romanzo di semifantascienza in cui un premio Nobel vuol sviluppare una nuova tecnologia per la fotosintesi artificiale (Solar, di Ian McEwan), si riporta questo esempio: “Nella foresta devastata un uomo, costantemente sotto la pioggia, rischia di morire di sete e si ostina ad abbattere gli alberi per estrarre poche gocce di linfa da ciascuno. Tra breve non ci saranno più alberi.

Lo fa perché ha sempre fatto così, e non si fida di quelli che propongono cose diverse, lo fa perché ha ottimi strumenti di taglio degli alberi ed estrazione della linfa, sviluppati in tanti anni, e lo fa perché non è capace di raccogliere l’acqua piovana.”

Quindi un argomento tipico a favore del solare in qualsivoglia coniugazione è: c’è tanta energia solare che ci arriva ogni giorno sulla testa, perché non imparare a sfruttarla?
Si tratta di una fonte pulita, generosa ed inesauribile (entro certi limiti perché anche il sole si spegnerà, ma almeno questo problema possiamo rimandarlo). La foresta distrutta sotto la pioggia è un’immagine toccante, ma ingannevole, perché suggerisce che la soluzione sia a portata di mano, ovvia. Ma questo non è vero. E’ molto improbabile, se non impossibile, costruire in tempi brevi abbastanza pannelli solari da soddisfare il fabbisogno planetario.

E’ difficile immagazzinare l’energia prodotta in questo modo, ed è difficile trasportarla da dove si produce (tipicamente un deserto sembra il posto migliore) a dove serve (una città). Il fotovoltaico quindi, per quanto sia vero che la potenza della radiazione solare sulla terra è diecimila volte il fabbisogno del pianeta, per ora non è la panacea dei problemi energetici, ma parte della soluzione.

Cosa serve per aumentare le possibilità di successo di questa tecnologia (senza trascurare le altre!):
1) maggiore comprensione (vedi ricerca di base, soprattutto fisica);
2) nuovi materiali (vedi ricerca di base, soprattutto chimica);
3) nuovi processi (innovazione, che è difficile dire da dove venga, possibilmente dalla ricerca di base ad ampio spettro, quella mai finanziata da nessuno e che bisogna fare di nascosto).

Quale fotovoltaico e in quale direzione?
Ci sono molte proposte nel sotto-capitolo energia-fotovoltaico. Il silicio non si batte, perché la tecnologia è ben sviluppata, perché ha un enorme potenziale nella ricerca e sviluppo (vedi industria della micro-elettronica) e perché controlla il mercato. Tuttavia il silicio non può essere l’unico materiale da utilizzare. Costa molto e produce essenzialmente un solo tipo di prodotto. Altri materiali possono essere considerati, e altri usi devono essere immaginati. Il termine “portable” si riferisce a tutte quelle fonti di energia trasportabili, che possano essere facilmente immagazzinate (per esempio ripiegabili) eventualmente integrate in tessuti, vestiti o altri accessori e che siano poco costose. Circa il 30% dell’energia consumata dal pianeta va nell’uso domestico. Di questa frazione una parte riguarda una miriade di piccole applicazioni, quali la ricarica o l’alimentazione di piccoli accessori, come telefonini, stampanti, MP3, ecc.

Perché attaccarsi alla rete per applicazioni del genere?
Inoltre, perché aspettarsi di trovare la rete ovunque, spendendo soldi e risorse per portare il collegamento elettrico in remote località che usano poca energia?
Curioso notare che la prima applicazione del fotovoltaico negli anni sessanta fu proprio quella delle luci per impianti remoti.

Che tipo di impianti?
Quelli di estrazione del petrolio! Innovazione, nuovi materiali, nuovi principi, tutto ciò richiama l’argomento bio-mimetica. Si chiama così l’approccio alla tecnologia che cerca di riprodurre i sistemi naturali. Di per sé una cosa importante, soprattutto per comprendere meglio i fenomeni naturali stessi, ma con record molto basso di successi nella tecnologia. Alcuni esempi lampanti sono la ruota o il volo. Solo qualche strano insetto ruota invece di correre, mentre il volo umano a propulsione jet è ben diverso da quello degli uccelli. La somiglianza di alcune soluzioni (la forma alare, la planata) suggerisce che la strategia migliore sia quella della ricerca bio-ispirata. Con questo termine si intende lo sviluppo di sistemi e prototipi solo in parte ispirati dai sistemi naturali, che contengono però componenti, strutture o generalmente soluzioni consone alle tecnologie umane. Così la fotosintesi artificiale, cioè l’idea di riprodurre il processo di conversione dell’energia solare in energia chimica che avviene nelle foglie e in alcuni batteri, è un approccio, ma non l’unico e forse non il più promettente. Invece, ispirarsi ai sistemi naturali per realizzare dispositivi allo stato dell’arte (per la tecnologia umana) sembra la strada migliore. Per fare ciò la comprensione dei processi biologici e lo studio dei fenomeni di interazione radiazionemateria sono un’importante risorsa di idee. Il punto due, nuovi materiali, trova riscontro nell’uso delle nanotecnologie. Si tratta della realizzazione, anche in grandi volumi, di oggetti molto piccoli, in cui non solo la composizione, ma anche la forma e il volume determinano le proprietà del materiale. I nano cristalli hanno dimensioni dell’ordine di qualche nanometro cubo fino a qualche decina di nanometri cubi.

Le loro proprietà ottiche possono essere controllate mediante la crescita, e così anche le proprietà elettroniche (in parte ancora da comprendere del tutto). Possono essere organizzati in superstrutture ordinate, oppure in miscele con altri materiali, magari plastici.

I polimeri semiconduttori sono un’altra classe di materiali che attrae interesse per le applicazioni fotovoltaiche. Diventa semantica discutere se rientrino o meno nelle nanotecnologie. Il livello di progettazione e realizzazione di strutture molecolari da parte dei chimici di sintesi è tale da suggerire che si tratti in effetti di nanotecnologia più che di chimica tradizionale. Infine, innovazione implica l’invenzione di nuovi processi di conversione dell’energia solare. Tra questi un’idea perseguita da diversi laboratori di ricerca nel mondo è la moltiplicazione dei portatori. L’idea sembra geniale. Per descriverla iniziamo a ricordare come funziona una cella fotovoltaica a semiconduttore. Un fotone viene assorbito solo al di sopra di un valore di energia di soglia. Oltre questo valore il fotone forma una coppia elettronelacuna che immagazzina una energia pari al valore di soglia di quel semiconduttore, e viene estratta dagli elettrodi in forma di corrente elettrica. Così un fotone nell’UV non crea più energia di uno nel visibile.

L’energia in eccesso viene dissipata (persa) in calore. Al contrario, un nano-cristallo (per esempio un cilindro di qualche nanometro di diametro e decina di nanometri di lunghezza) assorbe energia dall’infrarosso all’UV. I fotoni nell’infrarosso creano una coppia elettronelacuna, quelli nel visibile due coppie, quelli nell’UV tre coppie. Così tutta l’energia di ciascun fotone dello spettro viene utilizzata, e non dispersa in calore.

Detto così sembra una soluzione brillante e pronta all’uso. In realtà nessuno è ancora riuscito a costruire un dispositivo basato su questo principio perché le coppie elettrone-lacuna doppie o triple hanno il brutto vizio di ricombinare (cioè dissolversi in calore) in tempi estremamente brevi. Questo caso contiene molti degli ingredienti di base della ricerca scientifica in questo campo: interazione radiazione-materia, stati elettronici dei semiconduttori, dinamica degli stati eccitati. Gli aspetti teorici riguardano la meccanica quantistica dei sistemi condensati, quelli sperimentali gli studi di spettroscopia anche risolta nel tempo (cioè in grado di misurare l’evoluzione temporale della risposta di un semiconduttore dai femtosecondi ai millisecondi). L’Istituto Italiano di Tecnologia è fortemente impegnato nelle tematiche dell’energia “portable” a basso costo e di ultima generazione, e ha massa critica per affrontare il problema da più punti di vista con sinergia tra le diverse competenze. In particolare, il Center for Nano Science and Technology (CNST) in costruzione presso il Politecnico di Milano raccoglie le esperienze dell’ateneo e quelle dell’istituto IIT per creare un gruppo di ricerca dedicato a questo tema.

Il centro dispone della tecnologia stato dell’arte per la realizzazione di celle solari DSSC e polimeriche, entrambe versioni bio-ispirate di celle solari che utilizzano molecole e ossidi trasparenti. Le celle polimeriche hanno notevoli vantaggi nella fabbricazione, perchè permettono di utilizzare processi rollto- roll di stampa su substrati flessibili. Questi dispositivi hanno efficienze basse, ma costi molto contenuti, ed inoltre caratteristiche particolari, quali i colori, la semi trasparenza, la flessibilità meccanica, la leggerezza.

Sono un esempio della complementarità delle soluzioni, senza primato di una su tutte le altre. Altre soluzioni arriveranno, non sappiamo quali e quando ma dobbiamo avere fiducia nella creatività della nostra specie, che ci distingue nel bene e nel male dal resto del mondo animale. Una sola cosa getta ombra su questa visione ottimistica: il continuo taglio delle spese per l’istruzione e la ricerca che viene sistematicamente effettuato dalla maggior parte dei governi nel mondo. Come sempre la lotta più difficile è contro noi stessi.