« L’elettricità non è altro che un nuovo agente per le arti e le manifatture e, senza dubbio, le generazioni future considereranno con interesse questo secolo, in cui è stata applicata per la prima volta ai desideri dell’umanità. » — Alfred Smee
Proprio come la nostra generazione ha guardato indietro alla trasformazione del secolo scorso attraverso la produzione di elettricità da combustibili fossili, le generazioni future si concentreranno sull’adozione di nuove risorse rinnovabili nel corso di questo secolo.
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Il futuro dovrebbe essere quello in cui traiamo energia da fonti completamente rinnovabili. Questo porterà a una realtà umana più pulita e meno sprecata. Qui esploriamo 5 delle energie rinnovabili più promettenti del futuro.
- 1. Fattorie solari spaziali
- 2. Energia umana
- 3. Energia geotermica di base
- 4. Celle solari Quantum Dot
- 5. Fusione nucleare
- I nostri prossimi passi
1. Fattorie solari spaziali
L’essenziale di questo:
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- Può fornire energia ovunque sulla Terra
- Elimina gli svantaggi attuali della produzione tradizionale di energia solare
- Potrebbe essere commercialmente sostenibile nei prossimi 30 anni
Questa tecnologia è stata proposta per la prima volta da un ingegnere aerospaziale di nome Peter Glaser nel 1968. Le persone lo considerano anche il « padre del satellite solare ».
Da allora, l’idea di creare delle fattorie di energia solare nello spazio è stata un argomento di interesse per la comunità scientifica. Tuttavia, non è mai stata realizzata completamente.
Questo modello di sfruttamento dell’energia si basa sul fatto che la luce del sole nello spazio è ampiamente ininterrotta. La tecnologia solare attuale è soggetta alle condizioni meteorologiche. Può produrre energia solo durante le ore diurne.
Le fattorie solari spaziali superano questi ostacoli eliminando i blackout notturni e le intemperie. Inoltre, la luce solare trovata al di fuori dell’atmosfera terrestre è 30% più intensa della luce solare che riceviamo sulla superficie della Terra.
Per creare una fattoria solare funzionale, le aziende invierebbero moduli gonfiabili nello spazio per formare una struttura simile a una campana che contiene specchi che dirigono e concentrano la luce del sole su pannelli solari. Potrebbero quindi inviare questa energia sulla Terra.
Tuttavia, le difficoltà legate allo sfruttamento spaziale potrebbero ostacolare lo sviluppo di questa tecnologia futura.
La sfida più grande è riportare l’energia sfruttata sulla Terra. L’energia prodotta da queste fattorie solari può essere inviata sotto forma di microonde o di un potente laser. Il problema è che il costo dell’intero processo attualmente supera il vantaggio dell’aumento della produzione di energia che fornisce.
Il trasferimento di energia può anche essere nocivo a causa di armamenti o incidenti. Nonostante queste preoccupazioni, le possibilità per questa tecnologia sono straordinarie. Sarà in grado di fornire energia in luoghi remoti ovunque sulla Terra, il che è di grande valore.
Con l’ascesa delle aziende spaziali private, alcuni hanno previsto che questa tecnologia potrebbe essere commercialmente sostenibile entro 30 anni. La Cina sta attualmente considerando di costruire una fattoria solare spaziale. Affermano già di testare la tecnologia e puntano ad avere una fattoria solare spaziale operativa entro 2050.
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2. Energia umana
L’essenziale di questo:
- Viabile per aree urbane molto affollate
- Può convertire il calore e l’energia cinetica prodotta dagli esseri umani in energia elettrica
- Sfrutta l’energia che altrimenti andrebbe sprecata
Gli esseri umani raccolgono calorie attraverso il consumo di cibo, che il nostro corpo trasforma poi in energia utilizzabile. In molti modi, il nostro corpo è simile a una macchina, come qualsiasi altra che utilizza energia per svolgere un lavoro. Utilizziamo quest’energia per funzioni vitali, come mantenere il nostro cuore che batte o alimentare il nostro cervello.
Tuttavia, gran parte dell’energia prodotta dai nostri corpi viene anche utilizzata sotto forma di calore e energia cinetica attraverso il movimento. Gran parte di essa viene sprecata e rimane non reclamata dagli esseri umani.
Questo può sembrare un’opportunità persa considerando il numero di esseri umani sulla Terra e l’area di terra utilizzata per nutrire la vasta popolazione.
In effetti, per la maggior parte della storia umana, la potenza umana è stata la forma più importante di energia meccanica a nostra disposizione. L’energia umana o animale ha creato e utilizzato tutte le nostre strutture, case, terreni agricoli e strumenti.
L’energia convertita dai corpi umani è stata utilizzata per spingere la pala nel terreno durante lo scavo di una diga e quando il martello è stato manovrato da una pietra per scolpire. È solo relativamente recentemente che noi, esseri umani, abbiamo iniziato a utilizzare altre forme di energia, in particolare i combustibili fossili.
A riposo, il corpo della persona media produce circa 100 watt di potenza. La produzione è molto più alta durante l’esecuzione di attività vigorose.
Ad esempio, un ciclista può generare 400 watt di potenza all’ora. Tuttavia, i ciclisti più performanti sono stati registrati generando fino a 1800 watt. Questo è avvenuto durante brevi esplosioni di sforzo.
Se consideri la quantità media di calore e energia cinetica prodotta dagli esseri umani in una sola città (energia che non viene sfruttata), puoi iniziare a capire perché gli scienziati stanno prestando attenzione a questa promettente fonte di energia rinnovabile.
Quindi, con tutta questa energia che va sprecata, dobbiamo porci la domanda: come possiamo sfruttare quest’energia? Ci sono due grandi problemi con lo sfruttamento dell’energia umana.
Il primo è che le strategie attuali di raccolta dell’energia non sono molto efficienti. Tuttavia, questo dovrebbe cambiare in futuro. Gli scienziati stanno sviluppando tecnologie che utilizzano quest’energia per guadagni di efficienza e a costi inferiori.
Il secondo problema che impedisce all’energia umana di essere una fonte di energia rinnovabile viabile è quello della tecnologia moderna delle batterie. I sistemi di batterie attualmente a nostra disposizione sono troppo grandi, pesanti e ingombranti per rendere questo tipo di tecnologia sostenibile. Tuttavia, recenti progressi nel campo delle tecniche di stoccaggio dell’energia potrebbero essere all’orizzonte.
Gli scienziati immaginano città in grado di sfruttare abbastanza potenza umana per gestire interi edifici grazie alle nostre sole azioni quotidiane. In effetti, una strada di Londra è stata convertita con materiali che sfruttano l’energia cinetica mentre le persone camminano lungo di essa.
Nell’ambito del progetto Human Power Plant, l’Università di Utrecht, nei Paesi Bassi, prevede di creare un dormitorio. Sarà completamente alimentato dagli studenti che vi abitano.
Questi 750 studenti attiveranno l’edificio di 22 piani con energia meccanica umana. Questo include l’illuminazione e il riscaldamento, senza l’uso di combustibili fossili.
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3. Energia geotermica di base
L’essenziale di questo:
- È accessibile ovunque sulla Terra
- Fornisce un approvvigionamento illimitato di energia senza inquinamento
- Potrebbe produrre energia equivalente a quella delle centrali nucleari
Sebbene abbiamo già una tecnologia per sfruttare l’energia geotermica in alcuni luoghi dove l’attività vulcanica è vicina alla superficie della Terra, essa non è affatto disponibile nella maggior parte delle regioni del mondo.
Tuttavia, profondamente al di sotto della superficie terrestre si trova il suo nucleo fuso, contenente energia sufficiente per soddisfare i bisogni dell’umanità in un approvvigionamento illimitato. Se potessimo scavare fino al cuore, saremmo in grado di accedere a quantità incredibili di energia pulita e senza inquinamento che le persone ovunque sulla Terra potrebbero sfruttare.
Il nucleo della Terra è incredibilmente caldo, intorno ai 6.000 gradi Celsius, che è caldo quanto la superficie del sole. Questo calore è una combinazione del calore residuo della formazione della Terra, del calore proveniente dalla disintegrazione di materiali radioattivi e del calore generato dall’attrito quando il nucleo denso affonda verso il centro della Terra.
Allora, con questa incredibile quantità di energia a nostra disposizione, perché non ne abbiamo approfittato di più? Per accedere a quest’energia, avremmo bisogno di perforare fino a una profondità di 10.000 chilometri o più per accedere al calore geotermico profondo. Il calore trovato a queste profondità è comparabile all’energia prodotta da un reattore nucleare.
Tuttavia, questa incredibile profondità complica il processo di perforazione a causa delle temperature estreme. Un altro problema paralizzante è riportare quest’energia in superficie con i materiali di cui disponiamo. Il rame fonde a queste temperature, così come la maggior parte degli altri materiali viabili.
Gli scienziati potrebbero aver trovato la risposta grazie a un recente sviluppo della tecnologia del grafite. È la scoperta del grafene.
Il grafene è un materiale straordinario, 200 volte più resistente dell’acciaio, ed è un ottimo conduttore termico ed elettrico. Questo materiale è 100 volte più conduttivo del rame e inizia a fondere solo a una temperatura di circa 4.000 gradi Celsius.
L’uso di aste di grafene che scendono verso regioni vicine al nucleo della Terra potrebbe fornirci un’energia illimitata che è 100% priva di inquinamento, trasformando senza dubbio l’industria energetica.
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4. Celle solari Quantum Dot
L’essenziale di questo:
- Rivoluzionerà la tecnologia solare attuale grazie alle finestre solari
- Converte significativamente più energia solare
- La tecnologia può essere applicata a molti materiali
Non solo il futuro conterrà nuovi modi di sfruttare le energie rinnovabili, ma conterrà anche versioni molto avanzate delle tecnologie che utilizziamo attualmente. Siamo riusciti a sfruttare l’energia solare da un po’ di tempo e questa tecnologia non ha smesso di progredire.
Piu recentemente, uno scienziato ha creato la tecnologia delle celle solari a punti quantici.
I punti quantici sono nanocristalli costruiti con materiali semiconduttori. Un sottile rivestimento di queste celle può essere applicato su una cella solare. I punti quantici assorbono la luce del sole per eccitare le particelle nanocristalline.
Il gap di banda di questi punti quantici corrisponde alla frequenza della luce solare che ricevono, permettendo loro di convertire oltre il 65% della luce solare in energia.
Questo è molto più di qualsiasi tecnologia solare di cui disponiamo oggi, con la cella solare media utilizzata oggi che raggiunge un rendimento di circa il 15%.
Questo, unito al fatto che le celle solari a punti quantici sono molto più leggere, versatili e durevoli delle nostre celle solari attuali, significa che questa tecnologia ha il potenziale di trasformare molte superfici materiali.
Un’applicazione promettente per questa tecnologia sono le finestre solari. Queste finestre potrebbero produrre elettricità mentre forniscono isolamento e ombreggiatura allo stesso tempo. Le finestre sono incredibilmente efficienti poiché lo strato anteriore assorbe la luce blu mentre il secondo strato assorbe il resto dello spettro.
I punti quantici del secondo strato di una finestra solare riemettono fotoni a una lunghezza d’onda più lunga, consentendo alle celle solari integrate nel telaio della finestra di convertire l’energia in elettricità. Questa tecnologia sarebbe relativamente economica e potrebbe ridurre notevolmente il prezzo della tecnologia solare.
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5. Fusione nucleare
L’essenziale di questo:
- Ha il maggiore potenziale per cambiare il volto della produzione di energia
- L’energia di fusione nucleare è 100% pulita, rispetto all’energia di fissione nucleare attuale
- Le piccole installazioni di produzione sarebbero portatili
Le persone a volte considerano la tecnologia nucleare come un modo « sporco » di produrre energia poiché il metodo attuale di fissione nucleare produce quantità significative di rifiuti radioattivi.
Tuttavia, le persone dovrebbero fare una chiara distinzione tra fissione nucleare e fusione nucleare. La fissione nucleare divide un grande atomo in due più piccoli, liberando energia e neutroni, il che provoca la divisione di altri atomi. Ne risulta una reazione a catena possibile.
La fusione nucleare, al contrario, si verifica quando due atomi si uniscono per creare un atomo più pesante che libera energia, ma esponenzialmente più di quella della fissione. La fusione non produce rifiuti radioattivi a lunga durata come la fissione, il che la rende una fonte di energia pulita.
La fusione può anche essere realizzata con materiali ampiamente inesauribili e ampiamente disponibili. In effetti, l’energia solare è un tipo di energia di fusione perché il sole produce energia attraverso un processo di fusione all’interno del suo nucleo.
Con la capacità della fusione nucleare di produrre circa quattro milioni di volte più energia di quella della combustione del carbone, avremmo bisogno solo di una frazione del numero di centrali elettriche sulla Terra oggi per soddisfare i bisogni energetici della popolazione umana. La quantità di energia prodotta dalla fusione è così grande che potrebbe essere considerata praticamente illimitata.
Anche se la fusione è una fonte di energia incredibilmente promettente, non è priva dei suoi difetti. Il processo è incredibilmente difficile da realizzare. Questo è dovuto al fatto che la reazione può avvenire solo in condizioni estreme. La fusione richiede quantità estreme di calore (100 milioni di kelvin) e enormi quantità di pressione.
Queste esigenze significano che la realizzazione della fusione nucleare sulla Terra richiede spesso più energia di quanta ne produca. Tuttavia, man mano che la tecnologia avanza e gli scienziati effettuano ulteriori ricerche, ci stiamo avvicinando alla creazione di un reattore a fusione viabile.
Il Reattore Termonucleare Esperimentale Internazionale (ITER) in Francia è una collaborazione di 35 paesi. Sta cercando un modo per sfruttare questa potenziale fonte di energia.
Alcuni prevedono che l’ITER potrebbe fornire energia di fusione nucleare alla rete entro 2045. Questa è la prima via per un’energia pulita e illimitata.
Le aziende private si sono anche sforzate di sfruttare appieno il potenziale della fusione nucleare. Questo include Lockheed Martin e Tokamak, un’azienda nel Regno Unito.
Lockheed Martin afferma che potrebbero produrre un reattore di fusione sufficientemente piccolo da stare su un rimorchio di camion che avrebbe la capacità di alimentare 100.000 famiglie. Tokamak potrebbe produrre energia di fusione nucleare già nel 2030.
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I nostri prossimi passi
La tecnologia umana ha progredito a un ritmo esponenziale e il settore energetico non è diverso. Gli scienziati concordano quasi unanimemente sul fatto che faremo la transizione verso un mondo che si basa esclusivamente su energia rinnovabile nel corso della vita di qualcuno nato negli ultimi 20 anni.
Questa transizione è un’assoluta necessità data la minaccia che il cambiamento climatico rappresenta per noi come specie. Anche se le persone non vedono sempre il futuro con ottimismo, quando si considera il futuro della produzione di energia, si tratta sicuramente di una previsione più chiara e più pulita.
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