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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