Le fonti di energia rinnovabili

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Un nuovo redattore su Camminando Scalzi

Siamo orgogliosi di presentarvi il nostro nuovo redattore, SteppenWolf, al secolo Francesco Mazzocchi. Francesco si è laureato in Fisica dei Plasmi a Milano, è appassionato di scienza e tecnologia, e si occupa anche di Fisica dei Laser. Il suo compito sarà curare il lato più tecnico-scientifico di Camminando Scalzi, spiegandoci tutte quelle cose di cui sentiamo sempre parlare, ma che non sappiamo in effetti cosa facciano. Si comincia con le fonti di energia rinnovabili. Buona lettura e benvenuto SteppenWolf!

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Molto spesso i leader politici in capo alle più grandi potenze mondiali tendono ad affrontare i problemi con soluzioni tampone a breve termine piuttosto che impegnarsi con programmi a lunga scadenza. D’altronde i rimedi che parlano più alla pancia del popolo che al suo cervello sono quelli che garantiscono un feedback immediato in termini di consenso con un minimo sforzo organizzativo. Ne è un esempio la recente crisi economica, in conseguenza della quale si sarebbero dovute dettare le nuove leggi del mercato – che puntualmente non sono giunte – preferendo ad esse il guadagno facile ed immediato per i soliti noti. Vale lo stesso discorso anche per una crisi a mio avviso ben più grave che attualmente sta imperversando nel mondo; il continuo sfruttamento intensivo di fonti energetiche non rinnovabili non agisce esclusivamente sulla situazione climatica mondiale, ma finisce per ripercuotersi a livello economico e sociale soprattutto su quella parte di mondo che possiede tali risorse ma che non ha i mezzi per estrarle. In questo modo si esasperano ulteriormente le divisioni tra paesi sfruttatori e paesi sfruttati, lasciando che l’instabilità sociopolitica si diffonda, solo perché fa comodo. A tutto questo si aggiunge il fatto che sprechiamo ancora troppa energia inutilmente: l’efficienza energetica mondiale si attesta su un misero 15% circa, con il restante 85% che finisce disperso ed inutilizzabile nell’ambiente, aggravando ancor di più le condizioni di global warming che hanno tenuto banco negli ultimi anni.

Fonti non rinnovabili.

In fisica si definisce l’energia come la capacità di un sistema o di un corpo di compiere un dato lavoro. È energia il potenziale gravitazionale che tende ad attrarci alla Terra, quella cinetica propria dei corpi in movimento o quella elettromagnetica di un fotone di luce. Differenti tipi di energia richiedono differenti metodologie per il loro sfruttamento, e ad oggi esistono diverse modalità di estrazione, suddivisibili a seconda dell’impatto ambientale che esse avranno. Tutte quelle fonti che sfruttano combustibili fossili vengono dette non rinnovabili. Questo perché una volta bruciato quel che si doveva bruciare, è impossibile riottenere il prodotto di partenza nelle scale temporali tipiche dell’essere umano, e di conseguenza la loro disponibilità va diminuendo sempre più con il loro sfruttamento. Petrolio, gas naturale, carbone, uranio 235 sono tutte sostanze che conservano dell’energia al loro interno sotto forma di legami energetici tra i loro costituenti di base. In seguito alla rottura di questi legami viene rilasciata dell’energia, tanto maggiore quanto più intense sono le forze in gioco. Così, mentre una tipica reazione di ossidazione del carbonio rilascia circa 4 elettronvolt di energia (pari a 1,6×10^-19 Joule… Parliamo di scale atomiche), un singolo atomo di uranio 235 che subisce fissione ne libera 200 milioni. Questa differenza tanto grande è giustificabile se si tiene conto delle diverse scale spaziali in gioco: l’ossidazione coinvolge gli elettroni più esterni (e quindi meno “legati”) di un atomo, mentre nel caso della fissione si va a intervenire sul nucleo atomico, le cui scale di energia sono svariati ordini di grandezza maggiori rispetto ai legami elettronici. Detta così potrebbe sembrare che l’energia nucleare sia la panacea di tutti i nostri problemi: altissimo output energetico, relativa abbondanza di combustibile, zero emissioni inquinanti, necessità di bruciare quantità minime di carburante se confrontate con i normali combustibili fossili. Purtroppo non è tutto oro quel che luccica, e i problemi relativi all’energia da fissione sono soprattutto legati allo smaltimento delle scorie. I prodotti di scarto derivanti dalla fissione di un nucleo di uranio o plutonio derivano dai nuclei “figli” della reazione di fissione, e natura vuole che tali nuclei siano a loro volta fortissimi emettitori di radiazioni di svariato tipo, tutte letali per l’uomo, e soprattutto dall’impatto ambientale disastroso. Elementi come il cesio, il kripton, lo stronzio rimangono attivi per miliardi di anni, e rendono a loro volta attivo l’ambiente circostante tramite l’emissione di radiazioni altamente energetiche. Al giorno d’oggi non esistono programmi di smaltimento o trattamento delle scorie, né esistono materiali in grado di stoccare efficacemente tali sostanze. Il meglio che si sia riusciti a fare è stato interrare i fusti radioattivi il più profondamente possibile, ma questa non è chiaramente una soluzione definitiva.

Fonti rinnovabili

La soluzione di tutti i problemi di inquinamento ed esaurimento delle scorte energetiche è rappresentata dalle cosiddette fonti rinnovabili: fonti che si rigenerano o non sono “esauribili” nella scala dei tempi umani e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future. Idroelettrico, eolico, geotermico e soprattutto il solare sfruttano tutte forme di energia già attive in natura, che quindi non hanno bisogno dell’intervento dell’uomo per essere innescate, ma solo per essere sfruttate. Il solare in particolare è in assoluto il più promettente: la potenza raccolta dalla terra si attesta sui 180 PetaWatt (l’unità di misura superiore ai TeraWatt, equivalente a 1,8 x 10^17 Watt), 80 dei quali effettivamente sfruttabili per la produzione di energia elettrica. Se considerate che il fabbisogno energetico mondiale si attesta attorno a 15 TeraWatt (1,5 x 10^13 Watt), capite che in linea teorica potremmo tranquillamente andare avanti unicamente con il solare anche se dovessimo centuplicare i nostri fabbisogni da un giorno all’altro. Ovviamente anche in questo caso non sono tutte rose e fiori: le tanto sbandierate emissioni zero non esistono, in quanto è necessario spendere energia e materiali per costruire le infrastrutture e le strumentazioni che occorrono. Inoltre questo tipo di fonti non sono disponibili “on demand”, ma seguono dei cicli più o meno regolari, dettati da madre natura. Può così capitare che i venti cessino di soffiare, o che il sole magari venga coperto dalle nuvole, limitando l’efficienza di raccolta. Il solare poi è ancora afflitto da problematiche concernenti l’efficienza dei pannelli solari: un fattore di conversione massimo del 10 / 15 % è ancora troppo poco, specie se si tiene conto del fatto che l’efficienza cala drasticamente con il loro utilizzo. Sono allo studio nuovi tipi di materiali che dovrebbero incrementare grandemente l’efficienza (si parla di nanomolecole organiche con efficienze nell’ordine del 60/70 %), ed è quindi necessario garantire alla ricerca la possibilità di esplorare queste nuove vie per produrre energia.

La fusione

Una fonte di energia che i media in generale snobbano (forse perché siamo ancora allo stadio della sperimentazione più estrema), ma che promette tantissimo è rappresentata dalla fusione termonucleare controllata. Se nella fissione si sfrutta l’energia liberata dalla rottura di un nucleo atomico pesante, nella fusione l’energia è fornita dall’unione di due atomi leggeri, che vanno a formare un nucleo atomico più pesante. La fusione presenta innumerevoli vantaggi rispetto alle fonti energetiche convenzionali, sia dal punto di vista ambientale che economico. Innanzi tutto, il carburante nucleare è costituito da due isotopi dell’idrogeno, il deuterio e il trizio. Sebbene la loro abbondanza isotopica (ovvero da quanto deuterio e trizio è composto il totale di atomi di idrogeno) sia piuttosto bassa (0,015% per il deuterio, il trizio decade in elio dopo 12 anni ma viene continuamente prodotto dai raggi cosmici), l’idrogeno è semplicemente l’elemento più diffuso nell’intero universo, e quindi potremmo contare su una riserva di carburante praticamente illimitata. L’unica scoria prodotta all’interno di un reattore termonucleare è rappresentata dall’elio, totalmente innocuo per l’uomo. Ovviamente, ricreare in un laboratorio il meccanismo di vita delle stelle (perché di questo si tratta) non è un impresa semplice, e i fisici di tutto il mondo si sono scontrati negli anni con le problematiche derivanti dal dover confinare un plasma alla temperatura di circa cento milioni di gradi centigradi, mentre si estrae energia da esso e nel contempo si ricrea continuamente il carburante sfruttando un’ulteriore reazione nucleare, indotta dai neutroni presenti nel reattore in un blanket di litio posto sulle pareti dello stesso (lo scopo del blanket è “catturare” i neutroni e farli interagire con il litio, producendo il trizio, che non è presente in natura a causa del suo breve periodo di decadimento, ndR). Ma si tratta di problematiche di tipo ingegneristico, che sono al vaglio su macchine come il JET o ITER. Il primo è una macchina toroidale (a ciambella), ed è il più avanzato reattore mai prodotto in questo ambito. Sebbene l’energia che assorbe per produrre e confinare magneticamente il plasma è una volta e mezza l’energia termica in grado di buttare fuori durante il suo funzionamento, questo reattore al 25% della potenza è stato in grado di emettere senza difficoltà 16,7 MegaWatt di potenza termica in assoluta sicurezza. In un reattore di questo tipo infatti non possono accadere esplosioni o incidenti tipo Chernobyl. La capacità di confinamento del plasma e di conseguenza la sua capacità di sostenere la reazione al suo interno dipende esclusivamente da parte dell’energia proveniente dalla stessa reazione. È impossibile perdere il controllo della reazione come può avvenire nei reattori a fissione: qui se il confinamento viene a mancare, il plasma si raffredda e il reattore semplicemente si spegne. ITER è attualmente in fase di costruzione presso Cadarache, Francia, ed è stato progettato per fornire un rapporto tra energia immessa ed energia estratta pari a un minimo di 10 e un ottimale 20. Si tratterà a tutti gli effetti del primo esempio di produzione di energia a mezzo di fusione termonucleare controllata.