SM 1582 — Passato, presente e futuro dell’energia solare — 1991

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La Gazzetta del Mezzogiorno, 3, 7, 11, 15 e 21 agosto 1991 

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

Il Sole, fonte di caldo afoso d’estate per chi lavora e resta in città; il Sole, fonte di felicità e di abbronzature per chi va al mare o in montagna; il Sole regolatore del ritmo delle giornate e delle notti. Copernico e Galileo hanno chiarito, tre secoli fa, il posto relativo della Terra rispetto al Sole, ma che cosa avranno mai pensato, nei trentamila secoli precedenti, quei miliardi di donne e di uomini che hanno guardato, con meraviglia, ansia o terrore, al Sole come fonte di raccolti o causa di siccità ? 

Centinaia di trattati e di conferenze scientifiche — una di queste conferenze mondiali si è tenuta nell’agosto 1991 nel Colorado — spiegano le prospettive dell’uso dell’energia solare come fonte di energia, ma gli aspetti meccanici e ingegneristici dei vari dispositivi rischiano di far perdere la visione dell’importanza di tale fonte, ben maggiore di quanto possa apparire dal numero di calorie o di kilowattora che le varie macchine producono. 

Pochi numeri ci aiuteranno a capire la nostra grande stella e come giustamente decine di civiltà del passato siano state portate ad attribuire un carattere divino al Sole. Tanto per cominciare, quella piccola palla luminosa che vediamo nel cielo è un corpo che ha un diametro 109 volte quello della Terra e che pesa 333.000 volte più della Terra, un gigantesco corpo celeste che si trova a 150 milioni di kilometri dalla Terra. 

La superficie del Sole, dalla luminosità accecante, non è altro che la crosta fredda del corpo caldissimo sottostante; freddo e caldo in senso relativo, naturalmente. Gli spazi interplanetari hanno una temperatura di circa 273 gradi Celsius sotto zero, una temperatura vicino a quella che si chiama lo “zero assoluto”. La temperatura superficiale della Terra è di circa 15 gradi Celsius sopra zero. La temperatura superficiale del Sole, di quella che poco prima ho chiamato la “crosta fredda” del Sole, è di circa 5500 gradi Celsius ed è davvero una temperatura molto bassa se si pensa che la temperatura all’interno del Sole si aggira intorno ad alcuni milioni di gradi. 

All’interno del Sole, a tale altissima temperatura, si svolgono continuamente reazioni di fusione fra nuclei di idrogeno e elio con liberazione di energia a spese della massa del Sole. L’energia prodotta sul Sole — in un anno 30.000 miliardi di volte la quantità di energia usata sulla Terra nello stesso periodo — viene irraggiata nello spazio, in tutte le direzioni. Se il libro di Marco Polo sulle meraviglie della Cina è stato chiamato “il milione”, perché Marco Polo non sapeva usare una unità di misura più piccola per descrivere le meraviglie del lontano paese, la quantità di cereali raccolti, la quantità di denaro posseduta dall’imperatore, la quantità di merci scambiate nei porti ricchissimi del mare cinese, l’attuale racconto del Sole e della sua importanza si potrebbe intitolare “il miliardo”. 

Di tutta l’energia irraggiata dal Sole la Terra intercetta soltanto una frazione piccolissima; nel corso di un anno l’energia che raggiunge la Terra ammonta a circa 80.000 miliardi di tep, una unità di misura che equivale a una “tonnellata equivalente di petrolio”, cioè a dieci milioni di kilocalorie, o quattro miliardi di joule (4 gigajoule). L’energia solare che raggiunge la superficie della Terra risulta all’incirca, diecimila volte superiore a tutta l’energia — circa 9.000 milioni di tep (nel 2003) — che, in un anno, sulla Terra, tiene in moto le fabbriche, i 550 milioni di autoveicoli, le macchine, i frigoriferi, scalda gli edifici, eccetera. Degli 80.000 miliardi di tep (circa 3.500.000 esajoule) di energia inviata dal Sole sulla Terra circa 25.000 raggiungono le terre emerse e circa 55.000 raggiungono gli oceani. 

L’energia solare svolge, da miliardi di anni, alcuni compiti fondamentali per il “funzionamento” e per la vita del nostro pianeta. Prima di tutto l’energia solare tiene in moto il grande ciclo dell’acqua; il calore solare fa evaporare e condensare ogni anno 500.000 miliardi di tonnellate di acqua dalla, e sulla, superficie dei mari e delle terre emerse. Ogni anno 100.000 miliardi di tonnellate di acqua ricadono, sotto forma di pioggia, neve o grandine, sulle terre emerse e circa 40.000 miliardi di metri cubi scorrono sulla superficie dei continenti ritornando al mare dopo aver superato talvolta grandi dislivelli. 

Questo flusso di acqua ha “dentro di se” un contenuto energetico potenziale equivalente a circa 10 miliardi di tep all’anno; si tratta di energia meccanica, quella che si “libera” quando l’acqua supera un dislivello e che può essere ricuperata facendo passare tale acqua attraverso ruote o turbine. Di questo grande potenziale energetico, superiore al consumo totale mondiale annuo di energia, ogni anno viene ricuperata come energia idroelettrica soltanto una frazione minima: circa 0,15 miliardi di tep, equivalenti a circa 1.500 miliardi di kilowattore. 

Un importante effetto laterale del ciclo dell’acqua è rappresentato dal movimento dell’energia attraverso il pianeta; dove arriva l’energia solare la terra o i mari si scaldano; l’evaporazione dell’acqua avviene a spese del calore superficiale per cui l’evaporazione dell’acqua è accompagnata da un raffreddamento e il calore “immagazzinato” nel vapore acqueo viene restituito dove l’acqua cade al suolo sotto forma di pioggia o neve. Grazie al ciclo dell’acqua il Sole scalda alcune parti del pianeta e ne raffredda altre; la differenza di temperatura mette in moto le masse di aria da una parte all’altra della superficie del globo e genera i venti, la cui gigantesca forza può anch’essa essere utilizzata come fonte di energia e provoca il moto delle onde sulla superficie dei mari. 

La seconda grande funzione “naturale” dell’energia solare consiste nella “fabbricazione” per fotosintesi di biomassa vegetale. Nelle foglie verdi, dotate di clorofilla, e nelle alghe verdi presenti nei mari e negli oceani l’energia solare riesce a far reagire l’acqua e l’anidride carbonica (presente nell’atmosfera o nelle acque) in modo da formare delle molecole organiche, con liberazione di ossigeno. Se guardiamo gli alberi in un giardino o i fiori sulla terrazza assistiamo — anche se i nostri occhi umani non sono capaci di vedere — a questa continua combinazione che porta via anidride carbonica dall’aria e libera ossigeno. 

Ogni anno la “biomassa” vegetale formata grazie all’energia solare ammonta a circa 100 miliardi di tonnellate negli oceani e a 100 miliardi di tonnellate sulle terre emerse. Ancora una volta, per renderci conto del ruolo straordinario che il Sole svolge nella nostra vita, vale la pena di ricordare che tutti i prodotti vegetali “commerciali” consumati in un anno da tutti gli abitanti della Terra — dai cereali alle patate, dalla verdura alle barbabietole — ammontano a meno di tre miliardi di tonnellate. 

La maggior parte della biomassa fabbricata dal Sole non “serve” a niente, dal punto di vista commerciale, ma assicura alimento e rifugio agli animali allo stato naturale, regola il moto delle acque superficiali, e assicura la bellezza del mondo che ci circonda, con innumerevoli colori, variabili nei diversi mesi dell’anno, come se il Sole si sbizzarrisse a usare la sua luce per la felicità nostra e degli altri animali. Gran parte della biomassa vegetale si decompone poi restituendo più o meno presto all’atmosfera e al mare l’anidride carbonica che diventa di nuovo disponibile per continuare il ciclo di fotosintesi sempre alimentato dall’energia del Sole. 

Le funzioni “naturali” del Sole dipendono dall’intensità della radiazione solare e dal suo carattere: circa il 50 % dell’energia solare arriva sulla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica visibile; il resto è costituito da una piccola frazione di radiazione ultravioletta e da radiazione infrarossa. Queste varie componenti della radiazione solare svolgono ciascuna un suo ruolo; la componente ultravioletta svolge benefici effetti sulla vita umana e trasforma i precursori della vitamina D nella vitamina biologicamente attiva; una parte — la frazione visibile — è responsabile della fotosintesi clorofilliana; la componente infrarossa riesce a scaldare i corpi esposti al Sole e provoca differenze di temperatura fra le varie parti del pianeta. 

Le interazioni fra radiazione solare e vita del pianeta durano da cinque miliardi di anni e dureranno altrettanto. Ma qui ci interessa cercare una risposta alla domanda: questa enorme quantità di energia può dare un contributo ai problemi energetici di una umanità che conta, nel 2004, 6,3 miliardi di persone e che sarà, intorno al 2025, di circa sette miliardi di persone ? 

Chiunque abbia avuto per le mani una lente deve essersi reso conto che tale lente, esposta al Sole, permette di concentrare in uno spazio piccolissimo il “calore” solare tanto che nel punto di concentrazione, nel “fuoco” della lente, si raggiungono temperature altissime che possono bruciare un foglio di carta o provocare incendi. Forse con qualche sistema di questo genere gli uomini primitivi hanno acceso i primi fuochi, “catturando” il calore del Sole. Di certo il problema degli specchi e delle lenti incendiarie, “ustorie”, ha affascinato i matematici per duemila anni. 

Se si desse retta ai racconti, scritti però molti secoli dopo l’evento, il primo uso dell’energia solare a fini pratici andrebbe attribuito al grande matematico greco Archimede che, per aiutare il suo amico e ospite Gerone a difendere Siracusa, avrebbe costruito una sistema di specchi per riflettere e concentrare la radiazione solare sulle vele della flotta romana comandata da Marco Claudio Marcello. Le vele e le navi si sarebbero incendiate e i Romani sarebbero stati costretti a rimandare per mesi la conquista della città. 

La matematica delle lenti e la previsione della posizione del “fuoco” rispetto alla curvatura delle lenti ha richiesto la soluzione di alcune delicate equazioni da parte dei matematici greci; La soluzione del problema è stata tramandata ai matematici arabi e tramite questi ultimi è tornata nell’Europa medievale contribuendo a gettare le basi della matematica moderna. 

Giovan Battista Della Porta (1535-1615), fisico e letterato napoletano, autore di numerose scoperte e applicazioni sperimentali come quella della camera oscura (anticipatrice del sistema per ottenere fotografie) ha descritto, in uno dei suoi libri, un distillatore d’acqua marina alimentato dall’energia solare. Alcune scoperte fondamentali sulle proprietà della materia sono state possibili nel 1700  scaldando i corpi ad altissima temperatura col calore solare concentrato mediante lenti e specchi. Nel 1800 sono stati inventati vari dispositivi per azionare motori, per produrre elettricità, per distillare l’acqua di mare con la radiazione solare. Fra gli studiosi troviamo i nomi di scienziati italiani come Antonio Pacinotti (1841-1912), fisico pisano, inventore, fra l’altro, della dinamo, il quale mise in evidenza l’effetto termoelettrico: se la radiazione solare raggiunge la saldatura fra due metalli, ai capi dei fili metallici si osserva una differenza di potenziale, cioè i fili sono percorsi da una corrente elettrica. 

La conquista europea delle colonie africane ha spinto i colonizzatori, davanti a tanta abbondanza di Sole nelle nuove terre conquistate, a inventare dei sistemi per ottenere calore o elettricità dal Sole. Gli ultimi anni dell’Ottocento, sull’onda dell’esaltazione del progresso tecnico-scientifico e delle nuove scoperte, hanno visto un moltiplicarsi di nuove apparecchiature solari. 

Benché una storia dettagliata delle applicazioni dell’energia solare debba ancora essere scritta, in Francia, in Italia, nelle colonie africane, sono state realizzati decine di motori alimentati dall’energia solare, vari distillatori solari per alleviare la sete nelle zone aride, eccetera. Anzi il primo grande distillatore solare fu costruito intorno al 1880 e funzionò per una ventina d’anni sull’arido altopiano cileno dove era disponibile soltanto acqua salmastra. Il carbone per l’alimentazione dei distillatori d’acqua doveva essere trasportato dalla costa ed era troppo costoso; così un ingegnere tedesco-cileno costruì un distillatore alimentato dal Sole che forniva 4.000 litri di acqua potabile al giorno ai minatori. 

Alla fine dell’Ottocento i perfezionamenti delle conoscenze sulla fotochimica, cioè su quel capitolo della chimica che studia le modificazioni indotte dalla luce sulle molecole e sugli esseri viventi, aprirono nuove strade anche alla ricerca dell’uso dell’energia solare. Si vide così che alcune molecole esposte alla luce del Sole si trasformavano in altre e “tornavano indietro” nella forma di partenza, al buio, restituendo l’energia “immagazzinata” durante il giorno. 

Uno dei grandi cultori della fotochimica moderna, Giacomo Ciamician (1857-1922), professore nell’Università di Bologna, intuì giustamente le prospettive dell’energia solare. Nel 1903, nella prolusione all’inizio dell’anno accademico dell’Università, Ciamician scrisse: “Il problema dell’impiego dell’energia raggiante del Sole si impone e s’imporrà anche maggiormente in seguito. Quando un tale sogno fosse realizzato, le industrie sarebbero ricondotte ad un ciclo perfetto, a macchine che produrrebbero lavoro colla forza della luce del giorno, che non costa niente e non paga tasse !”. Pochi anni dopo, nel 1912, in una conferenza negli Stati uniti.Ciamician affermava: “Se la nostra nera e nervosa civiltà, basata sul carbone, sarà seguita da una civiltà più quieta, basata sull’utilizzazione dell’energia solare, non ne verrà certo un danno al progresso e alla felicità umana !”. 

Gli anni fra le due grandi guerre mondiali del Novecento furono caratterizzate da abbondanti disponibilità di carbone e petrolio e il possibile ruolo energetico del Sole passò in secondo piano, anche se in tale periodo le ricerche sull’energia solare sono continuate, anche in Italia, con risultati apprezzati in tutto il mondo. La seconda guerra mondiale portò milioni di persone a combattere in zone desertiche e in mezzo agli oceani, con difficoltà di approvvigionamento energetico, e l’energia solare ricevette nuova attenzione: un distillatore solare gonfiabile e galleggiante, in dotazione agli aviatori americani, consentiva di sopravvivere dopo i naufragi fornendo qualche litro al giorno di acqua dolce per distillazione dell’acqua di mare col calore del Sole. 

Alla fine degli anni 40 del Novecento, quando non si intravvedevano ancora le prospettive dell’energia nucleare che più tardi avrebbe dato l’illusione di offrire energia infinita a basso prezzo, gli studiosi si rivolsero con rinnovato fervore al Sole come potenziale fonte di energia. Nel 1952 si tenne in Arizona il primo grande congresso sull’energia solare e negli anni dal 1950 al 1960 sono state gettate le basi delle conoscenze tecniche utilizzate ancora oggi. Nel 1961 si tenne, organizzata dalle Nazioni unite, proprio a Roma una grande conferenza sulle fonti di energia rinnovabili. 

Presso il Laboratorio per lo studio delle fonti di energia dell’Università di Bari furono condotti, dal 1952 al 1965, vari esperimenti sulla trasformazione dell’acqua marina in acqua dolce mediante numerosi modelli di distillatori solari. Lo studio delle pubblicazioni degli anni cinquanta del Novecento mostra che in quel tempo erano noti tutti i principi delle macchine usate ancora oggi. Forse l’unica vera innovazione si ebbe nel 1954 con l’invenzione e la produzione industriale delle celle fotovoltaiche, sottili piastrine — proprio quelle che trovate in alcuni calcolatori portatili o negli esposimetri delle macchine fotografiche — a base di silicio trattato in modo speciale, capaci di trasformare la radiazione solare in elettricità. Realizzate originariamente per la produzione di elettricità a bordo dei satelliti artificiali, cominciarono ben presto ad avere applicazioni terrestri. In un raro libro, pubblicato nel 1964 con il prof. Righini dell’Università di Firenze, riportavamo una proposta di “radio di villaggio” alimentata con un pannello di fotocellule solari posto in cima ad un palo. Senza dover ricorrere ad altre fonti di energia, qualsiasi villaggio avrebbe potuto essere informato degli eventi del mondo, delle previsioni meteorologiche; con le celle fotovoltaiche solari qualsiasi comunità isolata avrebbe potuto avere l’elettricità‘ indispensabile per far funzionare un frigorifero o delle luci. 

Benché gli anni sessanta del Novecento fossero iniziati con tanti progetti e speranze, l’interesse per l’energia solare e per le sue applicazioni declinò soprattutto in seguito alla rapida crescita dell’energia nucleare e ad un lungo periodo in cui i prezzi del petrolio erano bassissimi: davanti a tanta abbondanza e cuccagna energetica che senso aveva continuare a sperimentare l’uso dell’energia solare ? Per fortuna gli studi continuarono e anche con successo; la cuccagna finì con l’aumento del prezzo del petrolio, a partire dal 1973, e rifiorì l’interesse per l’energia solare, che alcuni considerarono come una possibile strada per liberarsi dalle importazioni del petrolio. 

Molti sono andati allora a ripescare i vecchi libri e molti si sono improvvisati specialisti e costruttori di impianti solari; nel corso degli anni settanta del Novecento in molti offrivano pannelli solari commerciali da utilizzare per ottenere acqua calda per cucine e bagni, per piscine e campeggi. Purtroppo, come spesso capita, la fretta e l’improvvisazione hanno portato alla fabbricazione di apparecchiature poco efficienti, di breve durata, con soluzioni spesso sbagliate; una centrale solare a specchi, costruita in Sicilia con l’illusione di produrre elettricità, ha funzionato poco e male per un paio d’anni ed è poi stata chiusa. 

Questi insuccessi hanno provocato, nell’opinione pubblica, almeno in Italia, una specie di rigetto nei confronti dell’energia solare. Negli altri paesi invece le ricerche sono continuate sulle strade giuste, sostenute dai governi e da imprese orientate al mercato. Nell’estate del 1991, a quarant’anni dalla prima conferenza sull’energia solare di Tucson, si è tenuta nel Colorado una conferenza mondiale avente come tema: “L’energia solare per il XXI secolo”. Ma davvero l’energia solare potrà avere un ruolo importante nel secolo appena iniziato ? Una risposta a questa importante domanda può essere offerta da una breve corsa fra le possibili soluzioni che consentono di mettere il Sole — e le fonti di energia derivate, quella del moto delle acque, del vento, del moto ondoso — al servizio del progresso umano. 

La produzione di calore col Sole è stata la prima e la più sperimentata applicazione di questa fonte di energia. Una piastra metallica di colore nero, coperta con una lastra di vetro ed esposta al Sole raccoglie la parte visibile della radiazione solare e la trasforma in radiazione infrarossa che resta “intrappolata” al di sotto del vetro, sulla piastra. Questo “effetto serra” consente di portare una piastra, d’estate, a temperature fino a 80 o 90 gradi Celsius; con particolari accorgimenti è possibile scaldare un collettore solare anche a temperatura un po’ superiore a 100 gradi Celsius. 

Se il calore della piastra nera viene trasferito ad una massa di acqua che, per esempio, viene fatta circolare entro tubi appoggiati sulla piastra stessa, d’estate è possibile, per ogni metro quadrato di superficie del collettore solare, scaldare 100 litri di acqua da 20 a 40 gradi, oppure 50 litri di acqua da 20 a 70 gradi Celsius. Con l’acqua scaldata col calore solare, o con un altro gas che il calore solare fa espandere, è possibile far funzionare dei motori solari. Ne sono stati inventati decine, progettati principalmente per sollevare l’acqua dal sottosuolo nelle zone aride, e alcuni sono anche stati costruiti e venduti. Intorno al 1950 una ditta di Lecco vendeva pompe solari in tutto il mondo e tali pompe erano gli unici dispositivi italiani presentati alla conferenza mondiale sull’energia solare, tenutasi, come si è ricordato, negli Stati Uniti nel 1952. La fortuna di questi pur utili dispositivi è declinata col passare degli anni. Il principale inconveniente dei collettori solari sta nel fatto che d’inverno il riscaldamento ottenibile è molto modesto e non è possibile conservare calda per alcuni mesi l’acqua scaldata col Sole d’estate. 

I sistemi solari basati sui collettori solari prendono il nome di sistemi “attivi”; per il riscaldamento dell’aria all’interno degli edifici si prestano bene anche i sistemi “passivi” realizzati progettando gli edifici in modo da rendere massima la quantità di radiazione solare che, anche d’inverno, entra nell’edificio, facendola eventualmente assorbire da speciali materiali capaci di immagazzinare calore anche a bassa temperatura. Questo dell’”immagazzinamento” dell’energia solare è uno dei principali problemi da risolvere. L’ideale sarebbe poter raccogliere il calore solare d’estate, quando è abbondante, e poterlo tenere a disposizione per l’inverno, quando la richiesta di calore è maggiore, ma è bassa la disponibilità della fonte di energia. 

Finora l’unico sistema per l’accumulo dell’energia solare è basato su un curioso fenomeno naturale scoperto agli inizi del Novecento; alcuni scienziati hanno osservato che l’acqua sul fondo di alcuni laghi era sempre calda, anche d’inverno; analizzando l’acqua calda del fondo hanno anche visto che questa aveva un elevato contenuto di sali. 

Intorno al 1950 alcuni ricercatori israeliani hanno cercato di riprodurre il fenomeno: immaginiamo di avere una vasca, profonda circa uno o due metri, piena d’acqua, una specie di piscina. Se sul fondo viene posto uno strato di una ventina di centimetri di acqua con elevata concentrazione di sali — per esempio di sali di sodio e magnesio, come l’acqua madre delle saline — per un fenomeno fisico questo strato salino sul fondo non si mescola con l’acqua dolce sovrastante. Il calore solare attraversa lo strato superficiale di acqua e viene assorbito dallo strato salmastro che si trova sul fondo; questo strato lentamente si scalda e conserva la sua temperatura che può raggiungere anche i 70 o 80 gradi Celsius. Poiché gli esperimenti mostrano che questa temperatura resta costante per mesi, questi “stagni solari” costituiscono un vero e proprio sistema di “accumulo” del calore solare, funzionante tutto l’anno. Il calore dello strato del fondo può essere prelevato gradualmente e può essere utilizzato come fonte di energia. Ricordo di aver visitato, intorno al 1960, il primo stagno solare realizzato in una salina abbandonata a nord di Tel Aviv. Adesso sul Mar Morto, in Israele, funzionano degli “stagni solari” di alcuni ettari di superficie che alimentano dei motori elettrici. Qualche esperimento è stato fatto anche in Italia nelle saline di Margherita di Savoia, poi abbandonato. 

Un altro ingegnoso sistema di cattura del calore solare, a mano a mano che arriva sulla Terra, è di grande importanza perché permette di utilizzare tale calore per distillare l’acqua di mare e ottenere acqua dolce. E’ così possibile risolvere risolve l’annoso problema della mancanza di acqua dolce sulle coste del mare. Milioni di kilometri di coste sono toccate dall’acqua salina dei mari e degli oceani e non hanno acqua dolce; in generale la situazione è tanto peggiore quanto più ci si trova nella fascia centrale della Terra, dove peraltro è maggiore l’energia solare disponibile. In un piccolo libro, intitolato “Sete !”, pubblicato anni fa dagli Editori Riuniti ho cercato di spiegare come i distillatori solari possano avere un ruolo importante per ottenere acqua dolce dal mare soprattutto nelle isole e nelle zone costiere. 

I distillatori solari — sperimentati a lungo nell’Università di Bari e che potrebbero trovare applicazione anche in varie zone d’Italia — sono dispositivi relativamente semplici nei quali, in uno spazio chiuso, coperto da lastre trasparenti di vetro o di materia plastica, l’acqua marina viene esposta alla radiazione solare ed evapora, condensandosi poi sotto forma di acqua priva di sali, che viene ricuperata. I distillatori solari hanno il vantaggio di utilizzare il calore solare a mano a mano che diventa disponibile; nei dispositivi ben progettati è possibile utilizzare fino al 50 per cento di tale calore per far evaporare l’acqua. Con un distillatore solare è possibile ottenere circa 1000 litri di acqua dolce all’anno, per ogni metro quadrato di superficie esposta al Sole. La produzione di acqua dolce varia nei differenti mesi; d’estate — quando è maggiore la richiesta di acqua dolce — si possono ricuperare fino a sei litri di acqua al giorno per ogni metro quadrato di distillatore; un distillatore solare di 50 metri quadrati, posto sul tetto di una casa vicino al mare, fornisce, così, d’estate fino a 300 litri di acqua dolce al giorno. 

L’ottenimento di calore ad alta temperatura mediante la concentrazione della radiazione solare con specchi è apparentemente molto affascinante, ma presenta numerose difficoltà; i tentativi di far funzionare delle centrali termoelettriche con collettori a specchi non hanno finora avuto successo; si è già ricordato in precedenza che una simile centrale costruita in Sicilia è stata chiusa dopo pochi anni di cattivo funzionamento. La causa dell’insuccesso va cercata nel fatto che una caldaia, necessaria per alimentare una centrale elettrica, deve disporre di un flusso di calore continuo; nel caso delle centrali a specchi basta che il cielo si rannuvoli per più di mezz’ora perché il calore solare non arrivi più nella caldaia che si ferma; inoltre gli specchi devono essere continuamente orientati verso il Sole, operazione non facile. I limiti dei sistemi a specchi stanno nel fatto che il Sole da il meglio di se stesso se gli si fanno fare su scala umana le cose che sa già fare bene su larga scala e male si adatta alle dimensioni delle macchine sviluppate per altre fonti di energia. 

La maniera migliore per ottenere elettricità dal Sole è quella basata sulle celle fotovoltaiche che consentono di produrre da 100 a 150 kilowattore di elettricità all’anno per ogni metro quadrato di superficie di fotocelle esposte al Sole. Sono ormai costruiti industrialmente impianti fotovoltaici con decine di migliaia di kilowatt di potenza e il costo delle fotocelle e delle centrali sta continuamente diminuendo, avvicinandosi ai costi delle centrali elettriche tradizionali. A differenza di queste ultime le centrali fotovoltaiche solari non hanno bisogno di combustibili, non producono effetto serra e scorie radioattive, possono essere installate dovunque con una potenza proporzionale alla richiesta: a seconda della superficie delle fotocelle esposte al Sole possono cioè dare elettricità per poche case isolate, oppure per migliaia di abitanti. Una piccola centrale da appena 600 kilowatt è in funzione da alcuni anni vicino a Foggia; altri impianti fotovoltaici, in generale di limitate dimensioni, sono in funzione in altre località italiane. 

La cosa comunque che il Sole sa fare bene, senza macchine, su larga scala e con notevole efficienza, è “fabbricare” materia organica attraverso i processi di fotosintesi, già ricordati: la materia organica è costituita da zuccheri, amido, cellulosa, lignina, sostanze proteiche, grassi, eccetera, una straordinaria varietà di molecole e di materiali su molti dei quali abbiamo conoscenza appena approssimative e quasi nulle per quanto riguarda le potenziali applicazioni umane. 

La biomassa solare ha dentro di se, “incorporata”, l’energia che il Sole ha messo a disposizione per la sua sintesi e tale energia restituisce bruciando. Nei climi temperati da un ettaro di foresta o di terreno coltivato è possibile ricavare ogni anno prodotti organici vegetali la cui energia equivale a quella di circa 10 tonnellate di petrolio. Ciascuna delle sostanze presenti nella biomassa vegetale è utilizzabile direttamente come combustibile o trasformabile in fonti di energia commerciali, come gas o liquidi combustibili, e sempre più spesso si parla di  coltivazioni o piantagioni energetiche, progettate proprio per ottenere combustibili o materie alternative a quelle ricavate dal petrolio. 

Ma il Sole, questa fonte di energia rinnovabile, continuamente disponibile, si manifesta sulla superficie del pianeta in altre forme che si prestano a fornire energia per le necessità umane. Una delle più importanti di queste fonti di energia derivate dal Sole è rappresentata dal vento. Si è già detto che l’energia solare riscalda le varie parti delle terre emerse e dei mari in maniera disuguale che dipende dalle stagioni, dalla latitudine, della natura della superficie del terreno. Le masse d’aria che sovrastano territori a differenti temperature scorrono da una zona all’altra e generano i venti che si possono così considerare l’effetto meccanico del funzionamento di giganteschi collettori solari. 

Un’elica o un sistema di pale rotanti esposti al vento si mettono in moto quando la velocità del vento supera un valore minimo, generalmente di una decina di kilometri all’ora. Da questa velocità in avanti un motore eolico ricupera l’energia del vento con un rendimento che dipende dalla superficie delle pale e dalla terza potenza della velocità del vento. I “mulini a vento” erano noti ai Cinesi, da cui sono stati copiati dagli Arabi e gli europei a loro volta hanno copiato l’idea costruendo, dall’Olanda alla Grecia, motori capaci di azionare mulini da cereali o macchine. I motori eolici moderni possono andare da delicate macchine con eliche di grande diametro a piccoli motori fabbricate con tecnologie relativamente rudimentali. 

La forza del vento si manifesta non soltanto come moto di grandi masse d’aria, ma anche come moto di grandi masse d’acqua superficiali sotto forma di onde derivanti anch’esse, quindi, dall’energia solare. La quantità di energia ricuperabile dal moto ondoso dipende dalla differenza di altezza fra la cresta e l’avvallamento dell’onda e dalla frequenza delle onde. Lungo le coste di fronte ai grandi oceani si ha un moto ondoso ampio e regolare la cui forza può essere “catturata” con vari dispositivi, alcuni dei quali hanno già superato il collaudo dell’applicazione industriale. I trattati indicano almeno mille invenzioni di macchinari per la utilizzazione del moto ondoso, dai pontoni galleggianti ai più recenti dispositivi nei quali l’alternato sollevamento e abbassamento del livello dell’acqua comprime, in una specie di campana, l’aria che a sua volta fa ruotare una turbina. 

Si è già detto che il più grande collettore solare è costituito dagli oceani; in molte zone della Terra la radiazione solare scalda la superficie dei mari al punto da determinare una differenza di temperatura che può arrivare anche a venti gradi Celsius, fra gli strati superficiali caldi e quelli freddi profondi. Sono passati molti decenni da quando sono stati costruiti i primi dispositivi capaci di utilizzare come fonte di energia la differenza di temperatura fra gli strati superficiali e quelli profondi degli oceani; in tali dispositivi l’acqua fredda viene sollevata dagli strati profondi e viene portata a contatto con l’acqua superficiale più calda in una macchina termica capace di trasformare la pur piccola differenza di temperatura in energia elettrica. Il rendimento è modesto, circa il 2 – 3 % del calore delle acque superficiali è trasformato in elettricità, ma le macchine sono relativamente semplici e nuove più moderne macchine sono in funzione nelle isole Hawaii. 

Se il Sole è così attraente come fonte di energia, se la sua radiazione è capace di fornire energia nelle forme richieste dalle attività umane — calore, elettricità, energia meccanica — perché i progressi nel campo dell’energia solare sono stati così lenti e travagliati ? La risposta va cercata nel fatto che la transizione dalla attuale società basata sullo sfruttamento delle fonti di energia fossili, non rinnovabili e inquinanti, ad una “società solare” richiede non soltanto buone macchine, ma anche profondi mutamenti economici, sociali e culturali. 

Il primo di tali mutamenti è di carattere geopolitico. Il principale limite dell’energia solare è associato alla sua irregolare distribuzione nelle varie parti della Terra, nelle varie parti del giorno e dell’anno; inoltre la sua intensità per unità di superficie è bassa, rispetto all’alta concentrazione superficiale della domanda di energia nelle attuali società industriali. Ma proprio qui sta anche la forza dell’energia solare: è ormai chiaro che molti squilibri ecologici derivano dalla eccessiva concentrazione in spazi ristretti delle attività umane, concentrazione che supera la capacità di sopportazione (la “carrying capacity”, come la chiamano gli ecologi) di molti territori e che provoca fenomeni di congestione, sovraffollamento, violenza. 

Una società solare provoca e incoraggia, invece, una ridistribuzione e diffusione delle attività umane, un uso più razionale dei grandi spazi che pure il pianeta Terra ancora offre; una società solare affronta e contribuisce a risolvere i problemi di mutamento del clima e di esaurimento delle riserve di risorse naturali dovuti all’innaturale e irrazionale sfruttamento di tali risorse. Una società solare per il XXI secolo può certamente utilizzare le tecnologie di cui si è già parlato: impianti per scaldare l’acqua o altri fluidi a bassa temperatura, impianti per trasformare, direttamente in energia elettrica, la radiazione del Sole, oppure le forze, derivate dal Sole, dei venti, del moto ondoso. Ma gli “apparecchi” finora inventati saranno poca cosa se non verrà fatto un salto culturale di grande importanza. 

Una società solare dovrà inventare nuovi modi di progettazione degli edifici: con una appropriata esposizione al Sole, con la creazione di spazi esposti al Sole e di spazi in ombra, è possibile ottenere spazi ventilati d’estate e caldi d’inverno, è possibile migliorare molto l’illuminazione dei locali e risparmiare elettricità. Questa prospettiva è però incompatibile con la costruzione delle città attuali, i cui edifici crescono in altezza come risultato dello sfruttamento economico delle zone edificabili; le moderne città dei paesi industriali e i relativi edifici per forza comportano un alto consumo di energia e la produzione di inquinamenti concentrati. Una città solare — a basso consumo di combustibili fossili e a basso tasso di inquinamento — dovrebbe invece estendersi in superficie, essere circondata da spazi verdi, utilizzare le zone non sfruttate a fini agricoli. 

Si pensi alla Puglia e agli estesi spazi disabitati e non coltivati interni, con elevata intensità della radiazione solare; le leggi della speculazione sui suoli hanno spinto le popolazioni delle parti interne a migrare lungo le coste in agglomerati urbani ultracongestionati e ad alto spreco di energia, sovraffollati e violenti. Una Puglia “solare” potrebbe pensare di cercare i suoi spazi urbani nelle zone interne, dove sarebbe possibile raccogliere le acque piovane in laghi artificiali, creare vasti spazi alberati. Le persone sagge chiamano questo progetto “utopia” perché la loro “saggezza” è quella che prevede di ricavare il massimo profitto dagli spazi urbani edificabili. Eppure proprio in paesi capitalisti, come gli Stati Uniti, questa “utopia” ha trovato la sua realizzazione concreta, con centri urbani diffusi, università circondate da grandi spazi verdi, industrie a attività agricole integrate nel territorio. Per restare alla Puglia, gli spazi disabitati potrebbero ospitare impianti fotovoltaici capaci di fornire tanta elettricità solare quanta ne consuma l’intera Italia. 

Un’altra grande svolta verso una società solare richiede la migliore e maggiore utilizzazione della forza del moto delle acque. Si è già ricordato che solo meno del 2 per cento dell’energia potenziale presente nel moto dei fiumi sulla Terra è ricuperata come energia idroelettrica. In genere i grandi fiumi e le grandi montagne sono nelle zone disabitate come le zone tropicali e equatoriali, la Groenlandia, l’Asia centrale. Una parte dell’energia di queste risorse idriche potrebbe essere trasformata in energia elettrica che potrebbe essere trasportata nelle zone dove è maggiore la richiesta, o potrebbe essere utilizzata per produrre per elettrolisi l’idrogeno da trasportare con condotte, simili ai metanodotti, oppure potrebbe essere utilizzata sul posto attraendo nuove attività produttive dai paesi già oggi congestionati.  

Anche in questo caso una società solare può utilizzare tecnologie molto flessibili, che vanno da grandi impianti idroelettrici al ricupero dell’energia da piccoli salti di acqua con turbine idrauliche relativamente semplici. Finora spesso l’energia idroelettrica è stata ricuperata con interventi sul territorio sconsiderati dal punto di vista ecologico. Le proposte di una società solare presuppongono di utilizzare il Sole in maniera compatibile con i suoi caratteri e con le grandi leggi della natura. 

Per la maggior parte dei problemi tecnico scientifici associati alla transizione ad una società solare esiste già una risposta: altre possono essere pensate e inventate. Alle proposte di costruzione di una società solare viene obiettato sempre che il calore, o l’elettricità, o i combustibili ottenuti dal Sole e dalle fonti rinnovabili hanno un costo “eccessivo” rispetto a quello delle corrispondenti forme di energia ricavate dalle fonti non rinnovabili, scarse, esauribili. 

Secondo le regole della contabilità tradizionale ciò in genere è oggi vero, ma solo perché nell’analisi dei costi delle fonti energetiche attuali non viene contabilizzato né il costo dell’inquinamento per la nostra generazione, né il costo, per le generazioni future, dell’impoverimento delle riserve di combustibili fossili. Inoltre non si tiene conto che quanto maggiore sarà la diffusione delle tecnologie solari, tanto minore sarà, per effetto di scala, il loro costo e il costo dell’energia. L’avvento di una “neoeconomia” capace di integrare la contabilità monetaria con quella “naturale” mostrerà che esiste una convenienza anche in termini contabili a ricorrere alle fonti di energia derivate dal Sole. 

Vi è una sola osservazione importante che deve guidare i progettisti di una futura società solare: proprio per il carattere diffuso e diluito della fonte di energia, le opere di raccolta dell’energia in forme utili su scala umana per forza richiedono superfici molto grandi e possono provocare anch’esse effetti ambientali negativi. 

Alcuni sostenitori dell’energia solare pensano alla possibilità di regolare il corso dei grandi fiumi con la creazione di laghi artificiali, dighe, centrali idroelettriche; tali opere, coerenti con il progetto solare, possono peraltro avere effetti disastrosi — come è già avvenuto — sugli equilibri delle foreste pluviali o delle valli montane se non sono progettate in maniera del tutto diversa da quella finora seguita per le grandi centrali idroelettriche. E’ possibile utilizzare la forza del moto ondoso con opere di captazione negli estuari o lungo le coste, ma tali opere possono provocare effetti erosivi e alterazioni ambientali quando la loro dimensione diventa molto grande ed estesa, come è richiesto dalla bassa densità dell’energia del moto ondoso per kilometro di costa. 

E’ possibile trarre carburanti e materie prime per l’industria chimica dalla biomassa e da colture “energetiche”, ma sarebbe un errore pensare a tali colture con i criteri dell’agricoltura intensiva che richiede un uso massiccio ed inquinante di concimi e antiparassitari, o a spese delle foreste, come si propone oggi; è possibile coltivare i deserti, dove è elevata l’intensità della radiazione solare, ma occorre evitare gli effetti ecologici negativi che si sono già osservati nell’introduzione di monocolture “economiche” al margine dei deserti. 

Se da una parte occorre preparare l’avvento di uno sviluppo basato sul crescente ricorso all’energia solare, occorre anche essere in grado di verificare e anticipare i danni che alcuni dei relativi processi possono arrecare al pianeta nel suo complesso, evitando di cadere in trappole che vanifichino il progetto guida che deve essere quello del carattere “umano” dello sviluppo economico.  Nel 1934, nel suo libro “Tecnica e cultura”, Lewis Mumford ha denunciato gli inconvenienti della società “paleotecnica” del suo e nostro tempo, basata sulla rapina delle risorse rinnovabili, sul carbone e sul petrolio, sui metalli, caratterizzata dalla bruttura e dalla sporcizia, l’”impero del disordine”. Mumford auspicava l’avvento di una società “neotecnica”, diversa e nuova, caratterizzata da un ambiente pulito e non inquinato, da città più ordinate e meno violente, da un uso più razionale delle risorse naturali, da oggetti, macchine, merci e consumi compatibili con i grandi processi della natura. 

La transizione dalla società paleotecnica a quella neotecnica sarebbe stata possibile attraverso l’utilizzazione delle fonti di energia rinnovabili e non inquinanti, come l’energia del Sole, del vento, delle acque, che avrebbero reso possibile anche un crescente ricorso all’energia elettrica. Uno sviluppo meno insostenibile sarà possibile soltanto adottando rivoluzionari tipi e forme di nuove energie, di nuove merci, di nuovi consumi, di nuove città, di nuove regole economiche, secondo il progetto “neotecnico” di cui Mumford parlava, inascoltato, nei primi anni trenta del Novecento ! Da tale rivoluzione trarranno vantaggio sia i paesi industrializzati, sia quelli oggi poveri, presenti, con sempre maggiori e giuste esigenze, nella comunità internazionale.