Sole

Le possibilità dell’energia solare

IN UN’ÈRA di carenze energetiche, il fatto che il sole sia un’inesauribile fonte di energia, che riversa la sua luce e il suo calore benefico su tutta la terra abitata, non è passato inosservato. Esso mantiene la terra a una temperatura media confortevole. Fornisce l’energia per la crescita delle piante, e quindi di tutta la vita. Questi benefici sono così ovvi che molti li prendono per scontati.

Siamo abituati a sfruttare altre forme di energia in tanti campi nei quali i raggi del sole non si possono utilizzare direttamente. Se altre fonti energetiche dovessero diminuire ed esaurirsi, sarebbe possibile riscaldare le abitazioni e le fabbriche con i raggi del sole? Potremmo trasformare in qualche modo l’energia raggiante così da produrre elettricità per l’illuminazione, per far funzionare motori e apparecchi radio e televisivi? Potremmo imprigionare l’energia solare in accumulatori per poi alimentare automobili e aeroplani? Queste possibilità sono oggetto di seri studi, e in alcune parti del mondo il solare è ad uno sviluppo molto avanzato.

In molti laboratori gli scienziati stanno facendo ulteriori   ricerche di base per utilizzare l’energia solare. Non c’è dubbio che il potenziale esiste. I raggi solari che cadono su una superficie di 676 chilometri quadrati nell’Arizona contengono energia pari a quella generata da tutte le centrali elettriche degli Stati Uniti. Quali sono allora i problemi?

Il primo problema da affrontare è il fatto che la luce del sole è diffusa. Qualsiasi collettore di limitata grandezza riceve relativamente poca energia. Ma anche questa energia diffusa è sufficiente per alcuni impieghi. Gli edifici costruiti con la migliore esposizione alla luce del sole possono imprigionare abbastanza calore per risparmiare molto del combustibile necessario per il riscaldamento. Acqua contenuta in serbatoi sui tetti può essere riscaldata a una temperatura sufficiente per fare il bagno, lavare i piatti o fare il bucato.

Un’altra limitazione insita nell’energia solare è che non sempre è disponibile quando ci serve. Al tramonto non c’è più. Anche le nuvole interrompono l’afflusso di energia solare. L’intensità della luce solare, il numero di ore di luce diurna e la quantità di nuvolosità sono fattori che variano con la latitudine e le stagioni. In molti casi l’energia solare potrà essere utilizzata solo se si troveranno i modi per immagazzinarla mentre il sole splende e per usarla di notte o nelle giornate nuvolose.

Un modo semplice per immagazzinare energia solare è quello di scaldare l’acqua durante il giorno e tenerla in serbatoi isolati per usarla la notte. L’acqua calda si può far circolare anche nei radiatori per riscaldare la casa. Quando il tempo è cattivo, tale sistema dev’essere integrato da un’altra fonte. Come sistema di riscaldamento supplementare, però, è già sfruttato per ridurre il fabbisogno di gas o elettricità.

Oltre a questa applicazione elementare, ci sono metodi più complicati per sfruttare il calore del sole. Concentrando i raggi del sole, è possibile ottenere temperature molto più elevate. Chi non ha fatto l’esperimento di mettere un pezzo di carta sotto una lente di ingrandimento nel punto in cui convergevano i raggi del sole, osservando poi la carta annerirsi e prendere fuoco? Viene applicato questo principio su larga scala con l’uso di specchi concavi per concentrare i raggi solari su una piccola area, producendo un calore tale da fondere i materiali più refrattari. In un forno solare di questo tipo installato nella Francia meridionale, la caldaia sistemata nel punto focale viene impiegata per generare elettricità che viene erogata alla rete elettrica nazionale. Il fabbricante mette in vendita centrali solari della potenza di 1.000 chilowatt.

Un sistema di questo genere, ma più complesso, è stato installato ad Albuquerque nel Nuovo Messico per studiarne le possibilità economiche in vista della costruzione di grandi centrali solari. Una serie di specchi sono messi a fuoco in un punto di una torre alta circa 60 metri. Ciascuno specchio misura 1,2 metri quadrati, e se ne montano 25 su un “eliostato”, disposti in modo da formare un quadrato. Man mano che il sole si sposta attraverso il cielo, bisogna inclinare l’eliostato in sincronismo con il movimento del sole perché il suo fascio di raggi riflessi rimanga diretto sull’obiettivo. In un campo triangolare a nord della torre sono sistemati 222 di questi eliostati. Un computer li guida tutti separatamente, secondo la rispettiva distanza e direzione.

Quando sono tutti messi a fuoco sulla torre, i raggi del sole che cadono su una superficie di 8.000 metri quadrati vengono tutti concentrati su un’area di circa mezzo metro quadrato. Il calore di più di 1.000 soli raggiunge la temperatura di 2.300 gradi centigradi. Nei primi esperimenti, i raggi inviati dall’eliostato hanno rapidamente prodotto un foro in una lamina d’acciaio.

In seguito agli esperimenti eseguiti con una caldaia installata nella torre, sono in progetto diverse costruzioni in California di centrali solari mediamente da 10.000 chilowatt, che si potranno inserire nella rete elettrica della California.

Elettricità dalla luce solare

Frattanto, altri scienziati stanno lavorando verso un obiettivo a lungo termine: quello di convertire direttamente la luce del sole in elettricità. Il principio non è nuovo. Da anni usiamo dispositivi basati sull’effetto fotoelettrico. Per esempio, la fotocellula di una macchina fotografica stabilisce la corretta apertura dell’obiettivo in base alla luminosità della scena da riprendere. La luce genera una piccola corrente elettrica, che fa muovere un ago su un quadrante. È un’impresa formidabile produrre in questo modo sufficiente corrente per fare un lavoro utile, ma i risultati sono notevoli.

Come fa la luce a generare elettricità in una fotocellula? Il segreto sta nell’impiego di un elemento semiconduttore. In un elemento dotato di buona conduttività, come la maggioranza dei metalli, gli elettroni non sono strettamente vincolati agli atomi. Si muovono liberamente per trasportare la corrente. Negli isolanti, gli elettroni sono strettamente vincolati nelle loro orbite, e non possono muoversi. I semiconduttori sono una via di mezzo; gli elettroni sono legati, ma non strettamente, per cui con una piccola spinta si liberano e possono muoversi.

Il silicio puro è un cattivo conduttore. Ad ogni modo, le piccole quantità di impurità presenti in esso ne migliorano la conduttività. Per esempio, tracce di un elemento come l’arsenico, che ha cinque elettroni esterni, uno più del silicio, che ne ha quattro, provvedono al cristallo elettroni liberi. Un po’ di boro invece, che ha solo tre elettroni esterni, causa una carenza. Gli elettroni mancanti sono detti buche. Un altro elettrone può facilmente saltare in una buca da un atomo adiacente, producendo lo stesso effetto che se la buca si muovesse, e passasse una corrente di carica positiva.

Il primo tipo di silicio impuro è detto silicio a drogaggio di tipo n, perché ha elettroni in eccesso (di carica negativa). Il secondo tipo è detto a drogaggio di tipo p, per le buche in eccesso (di carica positiva). Se questi due tipi di silicio sono messi uno di fronte all’altro formano una giunzione n-p. Gli elettroni vanno solo in una direzione attraverso questa giunzione. Questa è la base del transistor, che ha sostituito le voluminose valvole di ieri con gli odierni minuscoli cristalli di silicio.

Supponiamo ora di prendere due pezzi di silicio, uno di tipo n e uno di tipo p, e di metterli insieme. Invece del transistor, otteniamo una cellula fotovoltaica. Esponendola al sole, assorbe l’energia contenuta nei fotoni, le singole particelle della luce solare, facendo liberare gli elettroni dagli atomi di silicio. Se si collegano i due lati della cellula per formare un circuito, gli elettroni passano dal lato n al lato p. Questa corrente elettrica si può utilizzare. È elettricità ricavata dalla luce solare.

Non tutta l’energia della luce solare si può convertire in elettricità. L’energia di un fotone di luce solare varia da 1,5 a 3 elettronvolt, man mano che la gamma dei colori si sposta dal rosso al violetto. Ma ci vuole solo un elettronvolt circa per liberare l’elettrone del cristallo di silicio, per cui il resto dell’energia va perduto sotto forma di calore. La massima efficienza teorica di una sola cellula a silicio è del 22 per cento circa. Le più efficienti cellule prodotte finora hanno un rendimento del 40 per cento circa. Si spera che, combinando diversi tipi elementari di semiconduttori in vari strati, si possa convertire in elettricità fino al 80 per cento dell’energia contenuta nella luce solare.

Applicazioni delle batterie solari

Le batterie elettriche solari hanno già trovato un posto importante nella moderna tecnologia, essendo impiegate per fornire la corrente ai veicoli spaziali. Per questa applicazione sono nella posizione ideale. Nei viaggi interplanetari sono esposte di continuo alla piena luce del sole (in orbita, per più di metà del tempo). Non si frappongono nubi, e non sono battute dalla pioggia o dal vento. Il loro costo è assorbito dalle somme stanziate per le ricerche spaziali.

Riscontriamo dunque che la caratteristica più notevole nella forma dello Skylab o dei Viking inviati su Marte sono le pale solari. Le batterie solari si sono dimostrate sicure e resistenti. La centrale elettrica del Viking produceva ancora 600 watt due anni dopo il suo arrivo su Marte. Le loro prestazioni in questo campo le raccomandano senz’altro. Per garantire la perfezione necessaria le batterie solari sono oggetto di meticolose cure e il loro costo è enorme, ma per un Viking o altro questo è ammissibile. Tuttavia il loro attuale costo dovrà essere ridotto a meno di un ventesimo così da renderle accessibili per generare elettricità sulla terra. Questo parrebbe dilazionare di molto l’impiego dell’energia elettrica solare, ma le enormi riduzioni dei costi che si sono realizzate in altri dispositivi a semiconduttori fanno sperare in un successo più prossimo. In molti laboratori si cerca febbrilmente di trovare processi automatici per rendere meno costose le batterie solari. Gli entusiastici sostenitori affermano che per l’anno 2050 il sole potrebbe provvedere agli Stati Uniti il 50 per cento dell’energia necessaria.

L’energia elettrica solare ha una caratteristica che la pone in netto contrasto con molte altre fonti di elettricità. È modulare per natura. Vale a dire che l’unità base della produzione è un singolo piccolo modulo. Per ottenere più energia, basta mettere insieme più moduli. Con l’energia generata mediante il vapore questo non è possibile. Ci vuole una grande centrale per produrre energia a buon mercato bruciando petrolio o carbone. Lo stesso dicasi per l’energia nucleare, e lo si potrà dire ancor più per la fusione termonucleare. Ma l’elettricità ottenuta dal sole promette di costare poco sia che venga prodotta in piccole o in grandi centrali.

Sorge pertanto un’interessante domanda: Sarà possibile eliminare le estese reti di elettrodotti essenziali nell’attuale sistema? Forse la centrale elettrica del futuro sarà più che altro una cosa di comunità o di quartiere, o potrebbe anche essere adattata alle singole abitazioni. Questa idea disturba coloro che hanno organizzato colossali reti regionali, o perfino nazionali, per la produzione di elettricità. È comprensibile che gli industriali, i quali vedono una minaccia ai loro enormi investimenti nell’attuale sistema, non siano entusiasti e non sostengano un’innovazione così radicale. Se questi non fossero riluttanti, dicono alcuni, l’impiego dell’energia solare potrebbe avere un più rapido sviluppo.

Altri vantaggi dell’elettricità ricavata direttamente dal sole sono chiaramente allettanti. Sarà pulita, silenziosa e sicura. Non ci sono parti in movimento e non c’è nulla che si consumi. È semplice da utilizzare. Non è inquinante. È erogata gratuitamente ed è rinnovabile come la luce del sole da un giorno all’altro. C’è da meravigliarsi se le possibilità di tale fonte energetica spingono i suoi sostenitori a chiedere di fare ogni sforzo per poterla utilizzare sempre di più?

Energia solare dallo spazio?   La più incredibile idea che si potesse avere per ricavare energia elettrica dalla luce del sole è tale che sembra uscire da un film di fantascienza. Si tratterebbe di montare nello spazio un’immensa serie di pannelli solari, per una superficie complessiva di 50 chilometri quadrati. Questo collettore di energia verrebbe messo in orbita stazionaria a 36.000 chilometri di altezza, sopra un punto scelto all’equatore. L’energia generata convertita in microonde sarebbe inviata a terra e captata da un’antenna ricevente del diametro di 10 chilometri. I cinque milioni di chilowatt prodotti sarebbero sufficienti per la città di New York. Questa proposta presenta un chiaro vantaggio rispetto ai collettori solari installati a terra. La centrale elettrica spaziale resterebbe in funzione 24 ore su 24, e la nuvolosità non impedirebbe né la raccolta di energia né la sua trasmissione mediante microonde.   Ma una costruzione così gigantesca non è alla portata dell’attuale tecnologia spaziale. Ci vorrebbero molti miliardi di dollari per costruire i razzi e trasportare nello spazio il materiale e il personale. E ci si chiede se le microonde vaganti non metterebbero in pericolo le persone vicino alla stazione ricevente. Inoltre, che effetto potrebbe avere sulla ionosfera e sul tempo, sulla radio e sulla televisione? Gli astronomi si lamentano perché questi oggetti luminosi nel cielo impedirebbero permanentemente l’esplorazione delle profondità dello spazio, ciò che richiede un cielo oscuro. Quelli delle società per l’energia elettrica potrebbero essere favorevoli a un simile progetto, perché dovremmo sempre dipendere dalle loro reti di distribuzione.   Ma se poteste conservarla durante la notte, forse preferireste prendere direttamente l’energia dal sole mentre splende su casa vostra, evitando questo giro complicato. Dopo tutto, quando i satelliti solari saranno all’ordine del giorno, forse sarete in grado di raccogliere abbastanza energia dal sole per casa vostra con appena tre metri quadrati di batterie solari sul tetto.

COMUNE IMPIEGO DELL’ENERGIA SOLARE Oltre cent’anni fa l’ingegnere George Stephenson mostrò di comprendere come la luce solare è così utilizzata dall’uomo. Osservando un convoglio ferroviario sparire in lontananza, si volse a un amico e gli chiese: “Che cosa fa andare la locomotiva?” “Ma, uno dei tuoi macchinisti di Newcastle, naturalmente”, fu la risposta. “No”, rispose Stephenson, “la luce solare!” All’amico perplesso, Stephenson spiegò: “È la luce che è stata conservata nella terra per molte migliaia d’anni; la luce assorbita dalla pianta durante la sua crescita è essenziale per la condensazione del carbonio e questa luce, racchiusa nel carbone per tanti anni, è ora dissotterrata e, essendo di nuovo liberata come in questa locomotiva, rende un grande servizio all’uomo”. Quindi, per quanto sembri sorprendente, le moderne macchine, incluse le enormi turbine degli impianti di generazione di elettricità sono, in effetti, indirettamente azionate dall’energia del sole! Comunque, non solo il carbone, ma anche il petrolio e il gas naturale rappresentano energia solare conservata, giacché si crede che tali depositi si formassero probabilmente mediante il calore e la pressione esercitata sulle piante e sugli animali in lunghe epoche passate. Anche l’acqua che fa girare le turbine degli impianti idroelettrici fu dapprima “pompata” dagli oceani per mezzo del sole perché cadesse sotto forma di pioggia o di neve prima di tornare ai mari. Pertanto è così che l’energia solare indirettamente fa andare le automobili, gli autobus e gli aeroplani, oltre a far funzionare i nostri apparecchi elettrici!