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Energia e acqua pulita grazie ai vulcani

Pannelli solari a basso costo e ancora più ecologici e filtri per potabilizzare l’acqua di mare e depurare quella contaminata. Anche grazie alla ricerca italiana

Ven 28 Ott 2016 | di Caroline Susan Payne e Francesco Buda | Energia
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Abbiamo sempre una sensazione di meraviglia ogni volta che vediamo le immagini dei vulcani in eruzione. Sulla Terra ne esistono circa 500 per i quali l'uomo, nelle varie epoche, ha registrato o tramandato notizie di una loro attività. Molti si sono nel frattempo spenti, ma quasi la metà risultano ancora certamente attivi in epoche geologicamente molto recenti: parliamo di qualche decina di migliaia di anni, perché questa è la dimensione dei tempi geologici.
Ed è proprio grazie a delle rocce eruttate dai vulcani, facilmente reperibili e a basso costo, che potrebbero presto compiersi due grandi desideri universali: ricavare energia direttamente dal sole e trasformare con metodi naturali l’acqua del mare in acqua potabile.

PEROVSKITE, ROCCIA PROMETTENTE
La prima roccia in questione è la perovskite, con la quale si sta sperimentando un tipo di celle fotovoltaiche di ultima generazione in grado di copiare la fotosintesi delle piante, cioè la trasformazione dell’energia solare direttamente in energia bio-chimica. Ricordiamo che le attuali fonti fossili di energia (gas, petrolio e carbone) che risultano in fase di esaurimento, non sono altro che un immenso processo di accumulo di questo processo naturale verificatosi in miliardi di anni.
La perovskite è stata scoperta nel 1839 sui Monti Urali, in Russia: è un materiale che ha una struttura cristallina opaca in grado si assorbire una grande quantità di luce. Si tratta quindi di un ottimo conduttore elettrico, che lo rende particolarmente adatto allo sviluppo delle tecnologie legate alle fonti rinnovabili. Non a caso si sta puntando su questo materiale per ricavare energia elettrica, anche se può sembrare incredibile, direttamente dalle finestre delle abitazioni. Il problema è che la perovskite ha una bassa stabilità termica: il calore prodotto dalla luce solare e l’umidità atmosferica degradano in poco tempo la struttura cristallina, riducendo a pochi giorni la vita utile delle celle solari costruite con questo minerale.

COSTI ABBATTUTI E NUOVI CARBURANTI
Una soluzione a questo problema l’ha recentemente proposta un gruppo di scienziati del Politecnico di Losanna (Svizzera) guidati dal Prof. Michael Grätzel. Lo studio ha inserito nell’architettura molecolare delle celle fotovoltaiche fatte con questa roccia, un metallo alcalino, il rubidio, riuscendo a stabilizzarne sia la vita che la resa: una volta miscelati con i cristalli di perovskite, questo metallo ha permesso alle stesse celle di mantenere la stabilità per oltre 500 ore continue sotto la luce, ad una temperatura di ben 85 gradi centigradi. Condizioni che normalmente non si registrano tra il giorno e la notte. Per la durata si sta rivelando risolutiva la ricerca italiana (vedi riquadro). Ma non solo: la resa energetica del prototipo - una cella che per ora è di soli 0,5 centimetri quadrati di superficie - cioè la percentuale di radiazione solare che si è trasformata in elettricità, si è mantenuta ai livelli record del 21,6%. Oggi la maggior parte dei pannelli solari installati al mondo sono composti interamente di silicio, un materiale relativamente scarso e che comporta costi di produzione elevati. La perovskite invece permetterebbe un abbattimento dei costi di produzione grazie all’abbondanza della materia prima e ai metodi di fabbricazione molto più semplici e veloci. Secondo i ricercatori, tale costo potrebbe scendere a meno di 200 euro per kilowattora, contro gli oltre 700 euro attuali. Il costo comunque potrebbe abbattersi ulteriormente con la produzione contemporanea di idrogeno attraverso la foto-elettrolisi dell’acqua: qualcosa di simile a quello che avviene con la fotosintesi della piante in Natura. La perovskite, in pratica, potrebbe permettere entro poco tempo anche la produzione industriale di carburanti a buon mercato ricavati direttamente dal sole.

LA ZEOLITE: ACQUA POTABILE
L’altro materiale in questione è la zeolite, che letteralmente significa “pietra che bolle”: il nome indica un'ampia famiglia di minerali formatisi attraverso lunghe fasi di trasformazione delle lave vulcaniche. Se ne trovano, ad esempio, anche in Sardegna. Questa roccia possiede la curiosa caratteristica di avere una elevata permeabilità all’acqua ed alcune tipologie trattengono allo stesso tempo sali e altre particelle disciolte. Si tratta di un vero e proprio “setaccio molecolare” e per tale motivo si pensa di usarlo negli impianti di dissalazione per ricavare acqua potabile dall’acqua del mare: il processo si chiama osmosi inversa.
Con la zeolite infatti, vengono costruite delle membrane che filtrano acqua marina o acqua di pozzi inquinati. Tale tecnologia però oggi lascia passare solo una parte infinitesimale dell’acqua trattata. Questi impianti in sostanza risultano molto costosi e poco efficienti, perché i rendimenti di acqua dolce sono di gran lunga inferiori a quelli attesi dai calcoli teorici. Il fenomeno è stato studiato attentamente dai ricercatori del Dipartimento Energia del Politecnico di Torino in collaborazione con il MIT (Massachusetts Institute of Technology),  storico e importantissimo istituto di ricerca che si trova a Boston, negli USA, e l’Università americana del Minnesota.

FILTRI MINERALI PIÙ EFFICIENTI
In particolare, sono i ricercatori italiani ad aver scoperto perché le membrane in zeolite filtrano così poca acqua, come ci spiega il Professor Pietro Asinari responsabile del team del Politecnico torinese. «Si credeva che l'ostacolo fosse all'interno della membrana, ma in realtà è in superficie. Nel momento in cui si espone la membrana all'acqua, se ne modifica la superficie stessa. Ora si tratta anche di testare i vari tipi di zeolite, tra le migliaia esistenti, per trovare magari quella che mantiene meglio la propria struttura superficiale senza che si otturino i pori più adatta alla nanofiltrazione». Una sorta di “uovo di Colombo”: il fatto che con le membrane di zeolite si riesca a produrre così poca acqua potabile dipende sostanzialmente dagli attuali metodi di fabbricazione delle stesse membrane di zeolite che ne otturano quasi tutti i pori. Solo lo 0,1% dei nanopori – i micropospici buchetti che caratterizzano questo minerale - teoricamente disponibili restano aperti dopo il processo di produzione. Malgrado la Natura abbia fornito a questo tipo di roccia un’alta permeabilità, in pratica il processo di fabbricazione la rende praticamente inutili. I ricercatori hanno quindi sviluppato un modello teorico che potrebbe permettere un rendimento 10 volte superiore a quello attuale. In apparenza si tratta di un passo ancora poco significativo (in sostanza dallo 0,1 si passa all’1%), ma già questo potrà permettere un consistente abbattimento dei costi di dissalazione.
Costi che potrebbero essere ulteriormente abbassati con l’uso di pannelli fotovoltaici per alimentare le pompe necessarie al processo di purificazione. Questo è quello che sta già avvenendo in alcune zone rurali dell’India e dell'Uzbekistan, dove ci sono una quantità impressionante di pozzi inquinati o parzialmente salmastri. Presto quei pannelli potrebbero essere prodotti a loro volta con la perovskite e così un altro processo dell’economia naturale sarà realizzato.
 



Il consumo troppo veloce di acqua dolce
Un recente studio compiuto dall’Università di Victoria (Canada) ha rivelato che le falde acquifere del nostro pianeta si rinnovano ad una velocità di gran lunga inferiore a quella di prelievo: meno del 6% delle riserve contenute sulla crosta terrestre continentale si rigenera nell’arco di 80-100 anni e solo lo 0,4% delle falde mondiali è in grado di rinnovarsi nell’arco di 50 anni. La Puglia, la Sicilia e la Sardegna sono le regioni italiane che già oggi prelevano acqua da profondità molto più elevate che in passato.
 



Soluzione Made in Italy
Nella rivoluzione fotovoltaica di nuova generazione in arrivo con le celle a pervoskite, un posto d'onore ce l'hanno i ricercatori italiani. I cervelloni del Politecnico di Torino, guidati da Federico Bella sotto la supervisione del Prof Carlo Gerbaldi, e del Politecnico di Milano insieme ai colleghi svizzeri dell'Ècole Polytecnique Fédérale di Losanna, hanno risolto un grosso problema: pioggia e sole rovinano le celle solari a perovskite fino ad azzerarne la funzionalità nel giro di pochissimo tempo, nei casi migliori dopo pochi giorni. I nostri giovani ricercatori hanno ideato e proposto un rivestimento innovativo che funge da barriera contro l'umidità e protegge dai raggi ultravioletti i pannelli. Una specie di sottilissima plastica, che offre una soluzione in grado di evitare l'invecchiamento delle celle e di renderle per giunta autopulenti. Una grande trovata. Il sistema impiega la tecnica della fotopolimerizzazione, assai rapida, economica e a basso impatto ambientale, usata comunemente per le otturazioni odontoiatriche e il fissaggio dello smalto sulle unghie. Una delle principali applicazioni di questi dispositivi potrebbe essere nei nuovi edifici “intelligenti”: si potranno trasformare pareti trasparenti e finestre in superifici capaci di produrre elettricità.


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