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Il CERN: energie elevate

Di certo a livello di sviluppo tecnologico il CERN ha raggiunto quasi il top e rappresenta il più grande laboratorio di fisica di particelle. Perché lo presento in questo blog? Semplice, perché mi ha affascinato molto andare a visitarlo e perché c'entra con l'energia più di quanto le persone credano. Al CERN vengono utilizzati strumenti e apparecchiature che riguardano la fisica delle alte energie, proprio perché per far avvenire gli urti tra le particelle all'interno degli acceleratori bisogna raggiungere energie molto elevate. Quindi l'intero sistema necessita di una grande quantità di energia per poter far funzionare i diversi acceleratori e raggiungere le velocità prefissate. In particolar modo vorrei far riferimento all'LHC, il grande collisore di adroni, nel quale si stanno eseguendo quattro esperimenti: CMS, ATLAS, TOTEM, LHCb, LHCf e ALICE (le informazioni sugli esperimenti si trovano cliccando sui nomi) e soprattutto nel quale durante le collisioni si arriverà gradualmente ad energie di 14Tev, mai raggiunte prima d'ora e che dovrebbero avvicinarsi alle condizioni dei primi momenti di vita dell'Universo. Ovviamente per fare ciò nel tunnel circolare di 27 km bisogna imporre un campo magnetico molto forte per mantenere il fascio nella traiettoria. Per tutte le spiegazioni, nonostante al CERN mi sia stato spiegato tutto, preferisco lasciare il compito al sito ufficiale ed a internet. Credo che questo luogo rappresenti il futuro, ma proprio a conclusione del mio blog rappresenti l'importanza dell'energia nella scoperta, perché senza di essa tutto questo non sarebbe stato possibile.

Una lettura interessante

Ecco una lettura che potrebbe essere molto utile per cercare di diffondere delle notizie relative all'energia. Si tratta di un libretto di circa 60 pagine di tipo informativo, prodotto nel 2007 con il contributo economico della Commissione Europea:

Energia: per accendere il tuo mondo

Spero che la lettura possa risultare di vostro gradimento.

Il consumo di energia nel mondo

Il consumo di energia, da quando si è scoperto come produrla, è aumentato considerevolmente e credo che nel grafico sottostante sia ben visibile:

Consumo di energia

Il problema principale che si legge dal grafico è il petrolio (oil): se veramente il bisogno del petrolio per produrre energia di qualsiasi tipo continuerà a salire vertiginosamente, una volta finito che cosa faremo? E soprattutto se continuerà a salire il prezzo del petrolio, la vita diventerà carissima. Ecco che quindi diventa fondamentale scoprire come produrre energia in altri modi, e uno di questi è probabilmente ricercare tra le energie rinnovabili.

La termoacustica

Nella tecnica termoacustica la conversione dell'energia termica o solare in energia elettrica è possibile grazie all'energia acustica (suoni monotonali o di una unica frequenza), che possono superare 190dB. I rendimenti di macchine che sfruttano questa tecnica possono arrivare fino al 42% del rendimento delle macchine ideali di Carnot, quindi un rendimento del tutto rispettabile. Con queste conoscenze, si stanno sperimentando diverse tecnologia che potrebbero sfruttare questa energia acustica: un esempio i cellulari, che potrebbero ricaricarsi grazie ala voce o addirittura  creare impianti di refrigeramento. E' stata persino creata una stufa che si basa su questo meccanismo qualche mese fa.

Stufa con motore termoacustico

Brevetto di un apparato che sa generare energia acustica

Questo è uno strumento piuttosto innovativo che risale a qualche anno fa ed è in grado di produrre energia acustica, la quale può essere utilizzata a sua volta per generare energia elettrica. Il brevetto per intero si può trovare qui: Per saperne di più.

Pannelli solari...ma funzionanti anche con pioggia e vento

E' una notizia che giunge dall'Inghilterra di recente, nel mese di giugno. E' stato infatti creato un dispositivo che non avrà più problemi con le condizioni meteorologiche, proprio perché sa generare energia elettrica dal sole, dal vento e dalla pioggia. E' ovviamente una grande notizia: l'energia potrà essere prodotta in modo continuo senza inquinare e sfruttando solo le risorse naturali. Per il meccanismo di funzionamento vi rimando a questo link: link.
In 10 cm quadrati i soli pannelli fotovoltaici flessibili producono circa 1/2 watt di corrente elettrica e per ora può essere utilizzato solo per dispositivi di piccole dimensioni, ma è un passo avanti.

Energia solare nella tecnologia comune

Ultimamente si sente parlare molto di energia rinnovabili e tra queste rientra l'energia solare. Sono stati sviluppati negli ultimi tempi dei dispositivi elettronici che funzionano grazie ai pannelli solari e si stanno facendo tuttora degli studi su questo argomento. La Apple ha di recente ottenuto l'approvazione di un brevetto per alimentare i suoi dispositivi con l'energia solare e la Samsung ha presentato ad Hannover nel 2011 un televisore LCD che integra delle celle solari, capace di assorbire energia non solo solare ma proveniente semplicemente dall'ambiente circostante ( quindi anche dalla luce artificiale) e trasformarla in elettricità. Inoltre già da qualche anno nel campo degli orologi si cerca di sfruttare il sole o la luce, ponendo una piccola cella solare sul quadrante dell'orologio che trasforma l'energia solare o della luce artificiale in energia elettrica poi immagazzinata in una pila che alimenta l'orologio.

Brevetto di una turbina eolica

Funzionamento di una turbina eolica che produce energia elettrica grazie al vento.

Brevetto

Brevetto per generare energia dal moto delle onde

Spiegazione completa del brevetto.

Il brevetto Rubino

E' un progetto che è stato proposto da un certo Rubino di Parma per perfezionare il concetto della colonna d'acqua oscillante, che arriva dal mare, la quale si trova in un contenitore chiuso da un pistone. All'interno di questo contenitore l'acqua cede parte della sua energia cinetica, e questa energia può essere "catturata" con dei dispositivi appositi che dirigono l'aria compressa del contenitore presso una turbina, che messa in rotazione genera l'energia elettrica. Questi impianti vengono chiamati OWC (Oscillating Water Column) e rappresentano ora come ora i modo più economico per convertire il moto ondoso in energia.

Energia dal mare: utopia o possibile?

Ecco un altra tipologia di energia rinnovabile: l'energia prodotta dal mare. Infatti si può ottenere energia elettrica dalle correnti, dalle onde, dalle maree, dal gradiente termico tra fondale e superficie e altri ancora. Purtroppo siamo ancora in fase di sperimentazione, con molte persone che si stanno interessando a diversi progetti, e ora inserisco qui un link molto interessante che passa in rassegna tutti i possibili sviluppi futuri e gli esperimenti che sono già stati portati a termine: energia dal mare.
In un articolo della Stampa addirittura si afferma che questa energia potrebbe essere prodotta con una quantità doppia rispetto al nucleare e molto più affidabile rispetto alla solare ed eolica.
OTEC

Gli impianti fotovoltaici

celle solari

Questi impianti elettrici, costituiti da più celle fotovoltaiche, sfruttano l'energia solare per produrre energia elettrica. In particolare ciascuna cella o modulo fotovoltaico funziona grazie all'effetto fotovoltaico: un elettrone della banda di valenza di un materiale, solitamente un semiconduttore, passa alla banda di conduzione dopo aver assorbito l'energia di un fotone. In poche parole la luce incidendo su determinati materiali, riesce a scalzare degli elettroni e questi sono appunto i diretti responsabili della generazione di energia elettrica sotto un opportuno campo elettrico, creato nella cella. Questi impianti ormai sono entrati a fare parte della nostra vita e magari riusciranno in futuro a soddisfare il bisogno energetico del mondo.

Impianto fotovoltaico

Il primo frigorifero a risparmio energetico è di Albert Einstein

Proprio nel 1930, con la collaborazione di Leo Szilard, Einstein inventò un frigorifero in grado di funzionare senza il bisogno di energia elettrica, ma semplicemente di ammoniaca, butano ed acqua. La sua invenzione non venne praticamente considerata dal governo americano e a quei tempi era una macchina con un rendimento piuttosto basso, però è stato un primo esempio di interesse nei confronti del risparmio energetico, tanto da essere ripreso in considerazione negli ultimi tempi. Infatti, un gruppo di ricerca del Regno Unito, che si occupa di creare dispositivi funzionanti senza l'elettricità, sta riprendendo la ricerca di Einstein per produrre i futuri frigoriferi. Inoltre, il frigorifero di Einstein viene ancora oggi commercializzato dalla società svedese Electrolux attraverso il marchio Dometic.
Funzionamento
Brevetto
Ecco ora una immagine dal brevetto del frigorifero inventato da Einstein e Szilard:

Energia nucleare

Funzionamento di una centrale nucleare

Le centrali nucleari ultimamente fanno molto discutere, ma bisogna dire che riescono a produrre una grandissima quantità di energia elettrica. Tutto è nato con Enrico Fermi che nel 1934 in un esperimento fa avvenire la fissione nucleare con il suo team di lavoro, bombardando gli atomi di uranio con dei neutroni e quattro anni più tardi riceverà il premio Nobel per la fisica. Si iniziò però a comprendere che le reazioni nucleari permettevano di rilasciare ulteriori neutroni, creando così una reazione nucleare a catena, che poteva autoalimentarsi. E così diversi stati tra cui gli Stati Uniti, la Russia, la Francia, la Germania, il Regno Unito cominciarono ad investire nei loro migliori scienziati affinché scoprissero come poter meglio utilizzare l'energia sprigionata da queste reazioni. In realtà i primi usi dell'energia nucleare riguardano il settore militare e le armi e solo successivamente la produzione di energia elettrica. Infatti il primo reattore nucleare costruito da Fermi e da Leo Szilard entrò in funzione il 2 dicembre del 1942 a Chicago e faceva parte del progetto Manhattan, che aveva come scopo quello di produrre plutonio per la costruzione di armi nucleari. Si sa cosa successe qualche anno dopo. Invece l'elettricità venne prodotta per la prima volta con un reattore nucleare nel 1951 in una stazione sperimentale negli USA.
Il funzionamento di una centrale nucleare è abbastanza semplice: viene prodotto calore attraverso la fissione nucleare di atomi pesanti (uranio, plutonio), che fa vaporizzare dell'acqua, generando lavoro meccanico che poi viene trasformato in energia elettrica. Ovviamente la sicurezza deve essere massima in questi ambienti, trattandosi di materiali radioattivi e di reazioni altamente energetiche e di disastri se ne sono verificati nella storia ( vedi post Non c'è solo l'energia).

In questo grafico si può osservare l'andamento dell'energia nucleare nel corso della storia, ora invece inserisco il brevetto del primo reattore a fissione nucleare progettato appunto da Fermi e da Szilard:

Brevetto

Le centrali elettriche

Un'altra tipologia di centrale molto importante e che vede proprio i suoi sviluppi grazie alle scoperte in campo elettrico nel corso dell'Ottocento, è la centrale elettrica. Esistono diversi modi per produrre energia elettrica, che ormai si sa è alla base della società odierna, ma tutte sono accomunate da due aspetti principali: la potenza, cioè l'energia per unità di tempo che viene erogata, e il tipo di combustibile che viene sfruttato per produrre energia. Una prima tipologia è la centrale termoelettrica: combustibili quali i derivati del petrolio, carbone, gas, rifiuti vengono bruciati per sviluppare calore, che trasmesso ad una caldaia contenente dell'acqua, fa produrre del vapore che raggiunte le turbine, crea energia meccanica. Questa energia viene poi convertita in energie elettrica.
Le centrali idroelettriche sono tra le prime ad essersi sviluppate a fine Ottocento ( da ricordare le Acciaierie di Terni che basarono la loro fortuna su questa centrale) e sfruttano l'energia cinetica idraulica per produrre energia elettrica.
Seguono le centrali a fissione nucleare, di cui tratterò più approfonditamente in un post successivo, le quali funzionano come le centrali termoelettriche.
Importanti soprattutto in questi ultimi tempi sono le centrali eoliche che sfruttano la velocità del vento per produrre energia, attraverso delle eliche collegate con un albero al generatore eolico.
Le centrali solari termiche sono centrali che utilizzano l'energia solare per scaldare l'acqua all'interno delle caldaie e, attraverso il vapore, produrre energia elettrica. Queste centrali non hanno nulla a che vedere con i pannelli fotovoltaici, che a livello di rendimento e di costi non possono rientrare tra le centrali, anche se si stanno nascendo diverse centrali che sfruttano un grande numero di pannelli fotovoltaici per produrre energia elettrica a partire da quella solare.
Inoltre tra queste tipologie di centrali elettriche rientrano anche quelle geotermiche, di cui ho già parlato.
Ora propongo una carrellata di immagini che rappresentano queste centrali:

Centrale a fissione nucleare

Centrale idroelettrica

Centrale termoelettrica

Centrale solare termica

Centrale eolica

Le centrali geotermiche

Queste centrali, di cui la prima è nata in Italia (come già detto nei post precedenti) il 4 luglio del 1904 in Toscana, consentono di ottenere dalle forze naturali una grande quantità di energia rinnovabile e pulita. Esse sfruttano i flussi di vapore provenienti dal sottosuolo liberamente oppure convogliati attraverso opportune perforazioni: questi flussi generano delle forze in grado di far muovere una turbina, che a sua volta produce energia meccanica, solitamente trasformata attraverso un alternatore in energia elettrica. 

Le centrali di energia

Di certo la scoperta del petrolio è risultata fondamentale per le molte invenzioni nel corso del Novecento e per la produzione di energia, ma tutto ciò è stato possibile grazie al cambiamento di pensiero di molte persone. Si è iniziato a capire quanto l'uomo avesse bisogno dell'energia e di quanto fosse importante scoprire nuovi modi per produrla: si iniziò a inventare, progettare apparati, sistemi, strutture in grado di "creare" l'energia e di farla arrivare a tutti, perché tutti dipendevano da essa. E così nacquero le centrali in grado di produrre energia e di distribuirla alle case ed alle industrie che ne avevano bisogno. Una delle prime centrali di energia nate in Italia fu proprio quella di energia geotermica:

Schema di una centrale geotermica

Il Novecento e l'automobile

Abbiamo lasciato l'Ottocento con grandi scoperte nel campo energetico, e si apre quindi un altro secolo che vede come protagoniste nuove risorse per produrre energia tra cui il petrolio. Verso gli anni '60 dell'Ottocento era stato realizzato il primo motore a combustione interna ed esso sarà appunto fondamentale nello sviluppo di molteplici tecnologie. Infatti nel 1885 l'ingegnere Benz prese il modello perfezionato di Otto e decise di unirvi delle ruote: veniva così creata la prima automobile, anche se presentava solamente tre ruote (rappresentata in figura). L'anno successivo, un altro ingegnere di nome Daimler, progettò la prima vera automobile a quattro ruote: bisogna comunque dire che le automobili all'epoca erano molto costose e se le potevano permettere solo i più ricchi. E' con la nascita della catena di montaggio di Henry Ford e con l'arrivo della Prima Guerra Mondiale che le cose inizieranno a cambiare, e le automobili inizieranno a fare parte della vita di tutti. Un'altra interessante applicazione del motore a combustione fu la prima macchina volante ideata dai fratelli Wright nel 1903 e negli stessi anni in Italia nasceva la prima centrale geotermica, che sfruttando il calore delle zone più profonde della terra produceva energia. Infatti il Novecento è anche il secolo delle centrali di energia.

La Seconda Rivoluzione Industriale

Tutti i grandi cambiamenti, di cui ho in parte trattato nei post precedenti, che si sono succeduti dalla seconda metà dell'Ottocento fanno in realtà parte di un processo molto più ampio, che ha investito tutta la società europea e americana: appunto la Seconda Rivoluzione Industriale. Essa viene viene datata all'incirca 1856 e si protrae fino agli ultimi decenni del 1800.

"La fine del XIX secolo è un periodo che corona un secolo di prodigiosi sforzi scientifici ed economici, una nuova era di cui i sapienti e i filosofi profetizzano la grandezza , nella quale la realtà supererà i nostri sogni e fantasie"                                                                                              (Atti preparatori dell'Esposizione universale del 1900 a Parigi)

 Quali sono le caratteristiche principali? Nuove forme di energia, quali il petrolio e l'elettricità, e nuovi sistemi di comunicazione e trasporto.
Schema riassuntivo

La dinamo

E' una macchina di tipo elettrico rotante in grado di trasformare il lavoro meccanico in energia elettrica, sotto forma di corrente continua. Questa è la classica definizione di dinamo ed è stata una grande scoperta che risale alla seconda metà dell'Ottocento, come la maggior parte delle invenzioni in campo elettrico. La prima dinamo risale al 1860 e venne realizzata in Italia da Antonio Pacinotti, essa sfruttava la capacità di un conduttore di produrre energia elettrica, spostandosi all'interno di un campo magnetico. In realtà, la dinamo di Pacinotti fu considerata solo come un prototipo e quindi la vera invenzione venne attribuita alla Francia, nel 1869. Come funzionavano i primi modelli? Un magnete veniva fatto ruotare attraverso una manovella, in questo modo i poli del magnete passavano davanti ad una struttura di acciaio avvolta da un cavo elettrico, facendo così produrre degli impulsi di corrente che avevano però direzioni opposte. Quindi per rendere questa corrente continua, venne aggiunto un convertitore. Importante da ricordare è che nel 1870 una turbina idraulica venne accoppiata ad una dinamo portando alla nascita della produzione commerciale di energia: in passato l'energia era sempre stata utilizzata per far funzionare altre macchine, ora invece si iniziava a capire che bisognava sviluppare delle tecnologie in grado di produrre energia.

La macchinetta di Pacinotti

Comunicazione ed energia elettrica

Funzionamento del telegrafo elettrico

Anche i modi di comunicare cambiarono nell'Ottocento grazie all'energia, ma questa volta non sono il carbone o il vapore ad essere protagonisti: è l'energia elettrica! Infatti, la corrispondenza era sempre stata cartacea, attraverso le poste, ma con lo sviluppo delle ferrovie, dei treni e di tante altre macchine si sentiva l'esigenza di scoprire qualcosa di nuovo e di più veloce anche nel campo della comunicazione: così nacque il telegrafo elettrico per la "trasmissione di energia". Il vero successo di questo strumento si ha verso gli anni '40 del 1800, quando Samuel Morse inventa il telegrafo elettrico alimentato da un solo filo di corrente e il Codice Morse che codificava le lettere dell'alfabeto in impulsi di diversa durata. Bisogna però affermare che nonostante furono ottimizzati i metodi di comunicazione ed anche allungate le tratte di trasmissione, nei nodi delle reti di trasmissione la maggior parte del lavoro veniva fatto a mano: i messaggi prima venivano letti e poi trasmessi da un'altra persona attraverso il telegrafo. Questo perché non era ancora stata scoperta la dinamo, perciò si sfruttavano le batterie per la produzione di corrente elettrica continua. Un' importante scoperta venne fatta nel 1891 da Nikola Tesla, che brevettò un sistema in grado di "trasmettere energia senza fili" (come disse lui stesso) e che sarà poi alla base di tutti i sistemi radio successivi. In realtà sarà Guglielmo Marconi a produrre grandi innovazioni nel campo della telegrafia senza fili ed a brevettare un sistema ancora più efficiente.

Telegrafo Morse

Per saperne di più: pantelegrafo.

Brevetto di un sistema che sfrutta energia solare

Rappresenta un brevetto per un pannello fotovoltaico in grado di produrre energia grazie al sole. Negli ultimi anni c'è stato un grande aumento dei brevetti nel campo delle energie rinnovabili ( articolo su questo argomento) e per leggere tutto il brevetto e il suo funzionamento: brevetto

L'Encyclopédie

"ENERGIE, FORCE, synon. (Gramm.) Nous ne considérerons ici ces mots qu'en tant qu'ils s'appliquent au discours; car dans d'autres cas leur différence saute aux yeux. Il semble qu'énergiedit encore plus que force; & qu'énergie s'applique principalement aux discours qui peignent, & au caractere du style. On peut dire d'un orateur qu'il joint la force du raisonnement à l'énergiedes expressions. On dit aussi une peinture énergique, & des images fortes."

(Denis Diderot e Jean-Baptiste d'Alembert, "Encyclopédie", Paris, 1751-1772, Original Class: Grammaire, author: d'Alembert, Machine, page 5:651, )
Da notare che ai quei tempi, il termine energia era ancora molto vago e distante dal'accezione che assumerà in seguito.

La rivoluzione dei trasporti: l'energia protagonista anche se indirettamente

Distribuzione Walschaerts in azione

Proprio con lo sviluppo del vapore, con il successo del carbone, con la nascita di un'industria sempre più esigente le infrastrutture iniziarono a mutare nel corso dell'Ottocento. Una delle prime esigenze che portò a migliorare le strade e i mezzi di comunicazione fu quella di poter trasportare il carbone o le risorse necessarie al funzionamento di una fabbrica o di un centro industriale. Infatti le industrie non nascevano più vicino ai luoghi che potevano generare in qualche modo energia, ma nascevano dove il mercato era più florido e facevano arrivare lì i prodotti di cui avevano bisogno: primo fra tutti era il carbone perché produceva energia per mandare avanti la quasi totalità delle industrie. Così si svilupparono particolarmente le ferrovie e di conseguenze le locomotive a vapore che sfruttavano esse stesse il carbone: infatti è la combustione del carbone a fornire l'energia necessaria per il moto della locomotiva. In tutto il corso del secolo ci fu un grande miglioramento sia nei confronti delle "strade ferrate" che delle locomotive, sempre più veloci ed efficienti. La tecnica sviluppò dispositivi per aumentare il rendimento dei motori a vapore e per diminuire i costi ed i consumi: alcun innovazioni furono la doppia o anche tripla espansione, il vapore surriscaldato e preriscaldatori. Questi ultimi sfruttavano il calore dei gas di scarico per elevare la temperatura dell'acqua da immettere nella caldaia della locomotiva.

Locomotiva

L'energia solare

"Eventually industry will no longer find in Europe the resources to satisfy its prodigious expansion... Coal will undoubtedly be used up. What will industry do then?"

  (Augustine Bernard Mouchot, 1880, dopo aver mostrato un'applicazione industriale dell'energia termica solare)                                                                                                                                            

L'Ottocento

Motore a vapore in azione

Si apre con l'800 il mondo moderno: il motore a vapore divenne il protagonista di questo periodo e soprattutto in Inghilterra si videro gli effetti di questa nuova tecnologia. Sorsero industrie che, sfruttando questo motore, erano in grado di produrre tessuti, altre macchine, oggetti d'arredamento, in generale i prodotti più vari. Tutto ciò porto ad un grande aumento della produzione, lasciando indietro le botteghe artigianali e i manufatti realizzati a mano. Ovviamente i prezzi scesero e più persone iniziarono a permettersi la merce in vendita, contribuendo ulteriormente alla crescita del mercato.
Finalmente l'energia diventava agibile in qualsiasi posto e in qualsiasi momento e le industrie non dovevano più contare sul'energia eolica ed idrica, ma avevano una fonte sicura e sempre presente. Il motore a vapore però non ha solo aiutato lo sviluppo delle industrie, esso è risultato fondamentale per molte altre scoperte successive e in generale l'energia ha iniziato a farsi strada nel mondo:

• 1804: la prima locomotiva a vapore
• 1807: la prima nave a vapore
• 1807: la prima illuminazione a gas da carbone (scoperto in quegli anni)
• metà '800: costruzione di dighe per la produzione di energia idroelettrica
• 1860: Augustin Mouchot, pioniere dell'energia alternativa, inventa il primo motore alimentato da energia solare
• 1880: un motore a vapore alimentato a carbone fu attaccato al primo generatore elettrico: la centrale elettrica di Thomas Alva Edison forniva così energia elettrica a  Wall Street e al New York Times

Ultima cosa da dire è che nel 1859 in Pennsylvania (USA) venne pompato per la prima volta il petrolio. Inizialmente venduto come medicina o per le lampade ad olio, successivamente utilizzato per illuminare e produrre calore, dopo breve impararono a raffinarlo per ottenere benzina e diesel, che verranno usati per una nuova invenzione: il motore a combustione interna.

Energia idraulica e tecnologia tessile

Power loom

L'acqua, come si è potuto osservare nel corso del blog, è stata una delle prime fonti di energia ad essere sfruttata, e nonostante con gli anni si siano scoperte nuove forme di energia (il carbone ne è un esempio), essa rimane ancora sovrana in molte tecnologie del Settecento. Infatti nel campo tessile, che è stato alla base della Rivoluzione Industriale in Inghilterra, ci sono state importanti scoperte che hanno legato l'energia idraulica ai telai ed alle filatrici. La prima importante innovazione che sfrutta l'acqua è la water frame di Richard Arkwright (1769), che era una filatrice mossa da forza idraulica; segue la spinning mule di Samuel Crompton (1779), una macchina automatica per filare che presentava 30 fusi ed era una forma ibrida tra la water frame e la spinning jenny di James Hargreaves (brevettata nel 1770); nel 1784 Edmund Cartwright inventa il power loom, un telaio mosso da energia idraulica; per arrivare al 1787 quando per la prima volta venne utilizzato il motore a vapore per azionare un telaio, sotto le direttive dello stesso Cartwright. Bisogna aspettare il 1909 per vedere il primo telaio azionato da un motore elettrico, invenzione di George Westinghouse.
Il perché di questa corsa a rendere le macchine più veloci ed efficienti, sfruttando perciò sempre meglio l'energia e sempre meno la manodopera, è dovuto alla Rivoluzione Industriale che stava cambiando totalmente il mondo della produzione suddividendo il lavoro in tante operazioni svolte da persone diverse, rendendo automatiche le macchine, investendo grandi capitali nelle risorse e in nuove macchine, istruendo gli operai alla conoscenza di materie tecniche e tante altre novità che appunto "rivoluzioneranno" il mondo.

Per la prima volta l'energia elettrica

Pila di Volta

Se il Seicento è stato il secolo in cui si è iniziato a scoprire i molteplici usi del carbone per riscaldare, il Settecento ha visto trionfare le macchine che sfruttavano il vapore (come detto in un post precedente), portando così, nell'Ottocento, ad un grande utilizzo del motore a vapore. Da ricordare, però, che il Settecento ha visto un'altra grande scoperta da parte di Alessandro Volta: nel 1799 venne realizzata la prima batteria che fornì al mondo energia elettrica continua e venne chiamata pila di Volta. Era un'invenzione molto importante, perché di fronte al grande sviluppo del vapore e del carbone, si stava aprendo un'altra porta per la produzione di energia.
In particolare, fu questo il punto di partenza per l'affermarsi della corrente elettrica come mezzo di trasporto dell'energia, trasformando l'elettricità nella "regina delle forme di energia", così definita da Carlo Rubbia.
Biografia di Carlo Rubbia

Timeline e i protagonisti nella storia dell'energia

• Aristotele (384-322 a.C.): fu il primo ad utilizzare il termine energheia, cioè essere in azione.
• Giovanni Keplero (1571-1630): nel 1619 usò il termine energia nell'accezione moderna.
• Leibniz (1646-1716): credeva che nel moto dei corpi si dovesse conservare qualcosa, che lui chiamò vis viva e la pose uguale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità.
• Christiaan Huygens (1629-1695): a lui si deve la prima ipotesi sulla conservazione dell'energia, in particolare di quella che verrà poi chiamata energia cinetica.
• Thomas Young (1773-1829): in una lezione alla Royal Institution nel 1807 disse che "la parola energia può essere associata, con grande appropriatezza,  al  prodotto della massa o peso di un corpo per il quadrato del numero che esprime la sua velocità”. 
• Gustave-Gaspard Coriolis (1792-1843): nel 1829 descrive il concetto di energia cinetica come la conosciamo oggi.
• James Prescott Joule (1818-1889): inventa il mulinello di Joule nel 1850, un calorimetro che dimostra l'equivalenza tra calore ed energia. 
• James Clerk Maxwell (1831-1879): da ricordare le sue quattro equazioni sull'elettromagnetismo, in particolare quella della circuitazione del campo magnetico che sarà alla base del motore di Tesla.
• Nikola Tesla (1856-1943): realizzò il primo motore elettrico a induzione a corrente alternata, che contribuì ad un utilizzo dell'energia elettrica, come trazione, sempre più importante nell'industria.
• Albert Einstein (1879-1955): presenta la famosa formula che per prima associa alla materia un'energia: E = mc2.       
• Enrico Fermi (1901-1954): progettò e guidò la costruzione del primo reattore nucleare a fissione, questo aprirà poi la strada alle centrali nucleari.

Il carbone ed il vapore

Nel corso del Medioevo e poi anche del Rinascimento ci fu una grande richiesta di legname, per costruire navi, per cucinare, per riscaldarsi e per le fonderie. Soprattutto in Inghilterra questa risorsa iniziò a scarseggiare e vaste aree vennero disboscate, perché c'era una una crescente richiesta di energia e di materiali da parte delle prime industrie e in più, la popolazione continuava ad aumentare e ad espandersi in territori prima disabitati. Così si ebbe la prima grande crisi energetica e si trovò una nuova fonte di energia nel carbone.

Proprio dall'esigenza di estrarre sempre nuovo carbon fossile e altre risorse minerarie, nacquero le prime macchine atte a prosciugare le miniere che spesso venivano allagate. Queste macchine sfruttavano proprio il vapore per produrre energia motrice; la prima fu inventata da un ingegnere, Thomas Savery, e funzionava grazie alla depressione del vapore. Tutto ciò aprì la strada a nuove invenzioni che, attraverso Thomas Newcomen e la sua macchina "atmosferica", porteranno alla macchina a vapore di James Watt. Ancora prima bisogna ricordare che Denis Papin inventò una specie di pentola a pressione, utilizzando appunto il carbone come fonte di calore, e da qui partiranno poi gli studi dei grandi personaggi prima citati.
Per saperne di più: le macchine a vapore, la storia della macchina a vapore. Nell'immagine viene rappresentato il classico meccanismo di funzionamento di una macchina a vapore.

ABC

Alternatore
Batteria
Centrali
Dinamo
Elettricità
Fissione
Gas naturale
Heisenberg
Idrocarburi
LHC
Meccanica
Nucleare
OTEC
Potenza
Quanto
Risparmio
Sole
Turbina
Uranio
Volano
Zero

La biella con manovella

Schizzo di una intuizione del sistema biella-manovella

Questa novità venne introdotta all'incirca verso il XV secolo ed ebbe un grande successo nel campo tessile (in particolare la seta) con l'arcolaio, anche se già era stata intuita dai vasai nel mondo antico con il tornio. La struttura è la seguente: un'asta piuttosto rigida che da una parte è collegata ad un disco, il volano, e dall'altra ad un pedale che scorre in una guida. In questo modo da un moto alternato del pedale si aveva un moto rotatorio e tutto ciò era possibile grazie al volano, che aveva la funzione di accumulare l'energia  ed una volta che si arrivava al punto morto, il sistema anziché bloccarsi, per inerzia, andava avanti. Questo meccanismo venne ampiamente utilizzato anche se esigeva ingranaggi complessi e robusti e a quel tempo erano disponibili ingranaggi di legno, fragili. Solo con l'avvento delle tecniche minerarie e metallurgiche le cose cambieranno, ma bisogna aspettare il Rinascimento.
Il sistema biella manovella

Il Medioevo

Si può dire che nel corso del Medioevo non ci furono grandi nuove invenzioni per produrre o sfruttare l'energia, più che altro vennero riprese vecchie macchine ( i mulini, i torni ecc ecc) e vennero migliorate. Però un importante meccanismo che permetteva di trasformare il moto circolare in moto rettilineo fu inventato in questo periodo (l'immagine di fianco ne rappresenta una schematizzazione): la camma, costituita da più palette, fissate all'asse rotante, che strisciavano su di un corpo allontanandolo e avvicinandolo all'asse stesso. Questo movimento sfruttava o l'elasticità di rami o la gravità. Villard de Honnecourt, nel "Livre de portraiture", rappresenta una sega idraulica che si basa su codesto principio, in particolare utilizzando un'asta di legno elastico per permettere questo moto alternato. Mentre  successivamente saranno i mantici degli altoforni ad usare il meccanismo che si basava sulla gravità.

La catapulta: come sfruttare l'energia per fare guerra

Schema di una balista

Probabilmente la prima arma a lunga gittata, si dice che il primo a farne uso fu Dionisio di Siracusa. Infatti egli utilizzò le baliste non solo come strumento di assedio, ma ebbe la brillante idea di usarle anche per attaccare e così le utilizzò contro la flotta cartaginese. Però cosa c'entra l'energia con tutto ciò? Semplice, le diverse tipologie di catapulta sono dovute alla modalità di immagazzinare e rilasciare l'energia necessaria alla propulsione dell'oggetto da lanciare:

• tensione: vi è una parte posta sotto tensione che rilasciata permette al braccio di lanciare il proiettile, erano catapulte molto simili a delle balestre;
• torsione: le baliste e gli onagri sfruttano proprio l'energia elastica di torsione prodotta da fasci di fibre elastiche, in cui è inserita una estremità del braccio della catapulta;
• trazione: sfrutta la forza di trazione prodotta da un certo numero di persone, un esempio è il mangano;
• gravità: essa viene sfruttata nel trabucco, un contrappeso spinge verso il basso un'estremità del braccio e nel mentre viene scagliato il proiettile tramite una fionda collegata all'altra estremità. 

L'energia elastica

"Dai tempi più antichi la molla, della quale vi sono innumerevoli esempi in natura, è stata il più importante mezzo per accumulare energia e rilasciarla immediatamente nel momento  necessario. La sua prima applicazione conosciuta e d’immutata importanza per molti secoli fu  l’arco, usato per lanciare frecce durante la caccia e in battaglia. La prima inequivocabile rappresentazione dell’arco risale al tardo periodo  paleolitico e proviene dall’Africa settentrionale. Nella sua forma più semplice l’arco consiste in una striscia di materiale elastico, come legno o corno, che gradatamente si assottiglia dal centro verso gli estremi.  […] "                                                                                                          

                        (Thomas K. Derry e Trevor I. Williams,  "Storia della tecnologia. 
                         La tecnica e i suoi effetti economico sociali",1977,Torino: Paolo Boringhieri)

Il mulino ad acqua ad asse orizzontale

Ecco un'altra invenzione dei Romani che risale all'incirca al I secolo d.C. (i Greci prima utilizzavano il mulino ad asse verticale, meno efficiente) . Questa macchina sfruttava l'energia idraulica dei corsi dei fiumi nel seguente modo: la ruota, verticale rispetto all'asse di rotazione, veniva messa in moto dal passaggio dell'acqua da sotto, trasmettendole anche parte della sua energia cinetica. Solo dopo si inizierà a sfruttare anche la forza peso costruendo ruote idrauliche alimentate dall'alto.
Questa prima forma di mulino serviva principalmente per macinare il grano e poi più tardi, anche per tagliare e levigare il marmo. Un esemplare di questa macchina venne trovato a Venafro, in provincia di Isernia,  e poteva macinare circa 3600 kg di grano al giorno e aveva una potenza di 2 kW. Questi mulini successivamente verranno migliorati ed utilizzati in modo sempre più ampio, venendo in parte sostituiti da quelli che sfrutteranno l'energia eolica.
I mulini ad acqua

Il mondo romano

Bisogna dire che ai tempi dell'antica Roma le tecniche per produrre energia si basavano principalmente su leve, carrucole, strumenti meccanici che potessero in qualche modo potenziare la forza muscolare degli schiavi e degli animali. Nonostante ciò gli ingegneri imperiali iniziarono ad avvicinarsi all'uso del vapore per riscaldare gli ambienti delle ville più lussuose, per le terme e costruirono veri e propri macchinari in grado di sfruttare la pressione del vapore e l'energia da esso prodotta. Qualche esempio: la pompa a stantuffo, ereditata dal mondo ellenistico ed inventata da Ctesibio, essa veniva utilizzata per sollevare l'acqua nelle miniere; un cannone azionato dal vapore ( rimase solo un'idea mai realizzata) proposto da Ctesibio e da Archimede; e addirittura un Anonimo del De Rebus Bellicis del IV secolo d.C. intuì che si potevano trasformare le pale di un mulino ad acqua in un motore per una nave. Quindi dai costruttori dei grandi acquedotti ci sono state diverse scoperte innovative, anche se poi non sono state portate pienamente a termine ( la macchina a vapore nascerà solo nel XVII secolo).

FILM

Davis Guggenheim, "Una scomoda verità", 2006, è un film-documentario a proposito delle cause e delle conseguenze del surriscaldamento globale

ARTICOLO DI GIORNALE

"Modern Mechanix", Alfred Albelli, luglio del 1934, articolo riguardante Tesla e le sue scoperte di allora. Per saperne di più

FUMETTO

Vignetta che rappresenta una similitudine tra la popolarità delle bevande energetiche e la continua richiesta di forme di energia alternativa

FRANCOBOLLO

Russia nel 1979

LETTERATURA

David JC MacKay, "Sustainable energy - Without the hot air", Cambridge: Uit Cambridge Ltd., 01/02/2009, è un libro che tratta dell'energia sostenibile.

INNOVAZIONE

LHC, il Large Hadron Collider è un acceleratore di particelle situato presso il CERN di Ginevra

ARTE

                                                                                                                                                               
Giorgio Vaselli, "The energy of a star", anno di realizzazione ignoto                               

La Bibbia

Proprio nella Bibbia ho trovato una citazione che riguarda l'energia come forza muscolare che nasce dal nostro corpo:

"...il corpo, ben compaginato e connesso, mediante la collaborazione di ogni giuntura, secondo l'energia propria di ogni membro, riceve forza per crescere..."

                                                                                             (Efesini, 4:16)

I primi passi

Quali sono le prime forme di energia usate dall'uomo? La risposta è piuttosto semplice: la forza muscolare, propria di ogni uomo sulla terra e che permette di compiere lavoro, e i raggi solari. Infatti l'uomo primitivo poteva contare, inizialmente, solo su di essi per potersi scaldare e inoltre il sole permetteva la crescita delle piante e degli animali, altre fonti di energia alla base dell'alimentazione umana.

Poi successivamente, grazie agli incendi causati dai fulmini durante i temporali, i nostri antenati, circa 400.000 anni fa, si resero conto che anche il fuoco poteva diventare molto utile come fonte di energia: produceva calore, scaldava i cibi (così più digeribili) e permetteva di difendersi. Bisogna però dire che prima impararono a conservarlo e poi mediante varie tecniche, tra cui quella di sfregare fra loro frammenti di selce, anche ad accenderlo. Così nacque anche il primo combustibile: la legna! E soprattutto iniziarono a migliorare la salute e le condizioni di vita, oltre che a cambiare.

Il fuoco

Non c'è solo l'energia

Quando qualcuno pensa all'energia o in generale ad una parola, subito compaiono nella testa immagini correlate a ciò che stiamo pensando. Per esempio, nel mio caso, quando penso all'energia la collego al sole, all'elettricità, al vento, ai combustibili fossili ed all'energia nucleare.
Cerchiamo ora di chiarire brevemente questi ulteriori concetti:

Il sole è la stella madre del sistema solare e rappresenta ben il 99.8% della massa del sistema, pur essendo una stella di medio-piccole dimensioni.
Esso è fondamentale per la Terra: l'energia solare è la fonte primaria di energia sul nostro pianeta e ha permesso lo sviluppo della vita, rendendo possibile la presenza di acqua allo stato liquido e l'avvenire della fotosintesi che produce ossigeno.
Per poter usufruire della grande quantità di energia che il sole produce sono state sviluppate diverse tecnologie, tra cui le principali sono: il pannello fotovoltaico, il pannello solare termico e il pannello solare a concentrazione.
Riprenderò questo discorso più avanti nel mio blog.
Chi fosse interessato al sole: http://stec-174462.blogspot.com/

L'elettricità fa riferimento a tutti i fenomeni che interessano l'elettromagnetismo, che a livello microscopico è spiegato dall'interazione tra le particelle cariche.
Oggigiorno è il mezzo più diffuso per il trasporto dell'energia, oltre che essere diventato il simbolo della nostra società e del suo sviluppo: basti pensare a New York di notte per comprendere di cosa sto parlando.
http://stec-172167.blogspot.com/

Il vento è causato dai moti convettivi (verticali) ed advettivi (orizzontali) delle masse d'aria presenti nell'atmosfera, che si muovono da zone di alta pressione a zone di bassa pressione.
Come viene collegata l'energia al vento? Semplicemente l'energia cinetica delle masse d'aria viene sfruttata sotto forma di energia eolica proprio per produrre l'energia elettrica stessa. L'energia che si ottiene dal vento appartiene alle energie rinnovabili ed alternative, che in questi ultimi anni stanno diventando sempre più importanti.
http://stec-173891.blogspot.com/

I combustibili fossili derivano dalla trasformazione di sostanze organiche  rimaste sottoterra nel corso delle lunghe ere geologiche, in forme che, a livello molecolare, sono diventate sempre più compatte e ricche di carbonio. Tra di essi bisogna ricordare il petrolio, il carbone e i gas naturali.
Il loro primo utilizzo come risorsa di energia risale alla rivoluzione industriale ed oggi rappresentano l'85% del fabbisogno energetico mondiale.
I combustibili fossili

Con energia nucleare si intendono i fenomeni che portano alla produzione di energia a partire dai nuclei degli atomi. Anch'essa è una fonte di energia primaria e si ottiene principalmente con tre diverse reazioni: la fissione, il decadimento radioattivo e la fusione ( quest'ultima avviene, però, in natura solamente nelle stelle).
Bisogna dire che questo argomento presenta molti nemici anche per via della storia piuttosto negativa che lo accompagna: le bombe atomiche sganciate su Hiroshima e Nagasaki, l'incidente di Chernobyl, in Ucraina (il più grave in assoluto) e recentemente quello della centrale di Fukushima, in Giappone.
Per saperne di più: L'energia nucleare