SM 2957a — Energia: ieri, oggi, domani — 2008

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In: Chiara Rosnati, Virginio Bettini e altri, “L’uomo cambia la faccia del pianeta. Mezzo secolo dopo il simposio internazionale ‘Man’s role in changing the face of the Earth’, Princeton, New Jersey (USA), giugno 1955”, Roma, Aracne Editrice, 2008, p. 35-57

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it 

Energia, speranze e declino: il lavoro umano come modificatore 

Non a caso gli organizzatori del convegno da cui nacque il volume “Man’s role” chiesero la collaborazione di Lewis Mumford (1895-1990), lo studioso a cui si deve, a mio parere, con il libro “Tecnica e cultura” (1932) la più stimolante analisi dei rapporti fra energia, materiali e tecnica, e l’evoluzione della società umana e le alterazioni della natura e della “Terra”. 

Ampliando un’ idea che era stata espressa nel 1914 da Patrick Geddes (1854-1932), Mumford propose di dividere la storia umana in vari periodi sulla base della capacità di usare la tecnica per trasformare la natura e ricavarne beni in grado di soddisfare le necessità umane: di alimenti, di calore, di abitazioni, di movimento, conoscenza, possibilità di comunicare. In questa evoluzione della tecnica l’energia ha sempre avuto un ruolo centrale. 

Mumford ha chiamato eotecnico il periodo che va dalla rivoluzione del Neolitico — la transizione delle comunità umane dallo stadio di raccoglitori-cacciatori a quello di coltivatori-allevatori — fino all’incirca al Medioevo, così come lo chiamiamo noi occidentali. In tale lungo periodo, una diecina di migliaia di anni, gli esseri umani hanno avuto bisogno di energia per ricavare pietre e metalli dalle rocce, per solcare i mari, ed hanno imparato ben presto a ricavarla da quello che la Terra e la natura offrivano. Il legno delle foreste, bruciando, forniva calore dapprima per riscaldare le caverne e poi le abitazioni, cuocere e conservare gli alimenti, per renderli disponibili anche a mesi di distanza dai raccolti o dalla macellazione. Il calore della combustione del legname permetteva di cuocere le argille, di trasformare alcuni minerali in metalli duri e resistenti adatti a tagliare le pietre e ad uccidere gli animali — e altri esseri umani che si azzardavano a cercare di conquistare terre o raccolti o animali ”altrui”. Il calore del Sole faceva evaporare, lungo le coste del mare, l’acqua marina lasciando una polvere bianca, il sale, che ben presto si rivelò essenziale per conservare le carni e le pelli e che addirittura poteva essere scambiato con altri popoli lontani dal mare. 

Oltre alla biomassa di origine solare e al calore diretto del Sole le comunità antiche impararono a utilizzare il vento, un’altra fonte di energia derivata dal Sole, che si prestava a far muovere le barche e le navi con la sua pressione sulle vele e quindi con meno fatica umana. Con queste tre fonti energetiche solari — biomassa da bruciare, calore solare diretto, vento — tutte e tre rinnovabili, come diremmo oggi, le società umane hanno percorso novemila anni del periodo eotecnico durante il quale sono cambiate materie prime, minerali, imperi, strutture sociali, modi di uccidere, religioni, modi di vita delle classi agiate e dello sterminato proletariato — e si sono fatti vedere i primi segni di modificazione della Terra. 

Già l’uso eotecnico delle risorse rinnovabili e della tecnica aveva lasciato conseguenze che, del resto, erano ben presenti nel classico libro di George Marsh (1801-1882) a cui si ispirava il convegno “Man’s role”. Le attività minerarie e metallurgiche e l’uso del legno come fonte di energia avevano già lasciato profondi segni negativi sotto forma di erosione del suolo, di frane e alluvioni; la stessa nascita delle città medievali, con le loro nuove esigenze di una borghesia urbana e mercantile, aveva contribuito all’abbandono di parte delle campagne e foreste e a profonde modificazioni nel mondo naturale, nel corso dei fiumi richiesto dalle bonifiche che dovevano aumentare le terre coltivate a colture alimentari per la popolazione crescente. 

Geddes e Mumford raccontarono che al periodo eotecnico è seguito un nuovo periodo, che essi chiamarono paleotecnico, in cui “la tecnica” ha imparato a usare nuove fonti di energia — carbone e petrolio — nuove materie prime e ciò ha provocato alterazioni ambientali e sociali, una società violenta e inquinata, l’“impero del disordine”, con città congestionate, valli erose esposte a frane e alluvioni. 

Mumford, scrivendo nel 1932, credé di ravvisare — erano i tempi del New Deal rooseveltiano — i segni dell’avvento di una nuova società, “neotecnica”, basata sull’elettricità e su nuove strutture urbane, su nuovi rapporti sociali; alla società neotecnica avrebbe dovuto seguire una società “biotecnica” basata sulle risorse rinnovabili, sulle merci e fonti di energia derivate dai grandi cicli biologici, da quella che oggi chiamiamo biomassa. Le cose sono andate molto diversamente e l’analisi di questo cammino può aiutare a riconoscere, forse, i segni di cambiamenti che si intravvedono (che potrebbero verificarsi) verso quella società neotecnica e biotecnica auspicata da Mumford. Il libro “Man’s role” in molti capitoli prende già in esame le modificazioni apportate dall’uomo sulla natura già nei periodi eotecnico e paleotecnico. Molti studi successivi hanno contribuito a chiarire ulteriormente questi aspetti. 

Prima di affrontare una pur breve analisi dei rapporti fra energia e modificazione della Terra sarà il caso di chiarire di chi stiamo parlando: l’“uomo” che modifica la Terra è appartenuto ed appartiene ancora oggi ad una minoranza, forse il 20 percento, degli abitanti del pianeta. L’analisi che segue si riferisce sostanzialmente a questa parte degli “uomini” non perché quanto è avvenuto ed avviene nei rapporti fra il resto dei terrestri e la terra da loro abitata abbia meno importanza, quanto piuttosto perché quel 20 percento degli uomini che noi chiamiamo “sviluppati”, che abitano quello che si suole chiamare “il Nord del mondo”, ha contribuito da solo alla maggior parte delle modificazioni della Terra, intesa come suolo, acque e atmosfera, in gran parte appartenente al resto dell’umanità. 

In questo inizio del XXI secolo anche una parte crescente del restante 80 percento degli “uomini” è investito da mutamenti sociali ed economici che portano a consumi di energia e di merci simili a quelli della minoranza opulenta, il che suggerisce che le modificazioni negative della Terra si faranno sentire con crescente rapidità e intensità, il che rende ancora più urgente chiedersi in quale modo è possibile soddisfare i bisogni umani con merci ed energia, in quantità e di qualità diverse dalle attuali e capaci di alterare di meno “la Terra”. Due altre precisazioni; in questo contributo continuerò ad usare il termine “uomo”, al singolare e al plurale, nel senso e nello spirito di “man” del testo inglese del libro “Man’s role”, cioè di “uomo e donna”, di essere umano, ben riconoscendo quanto “la donna” sia coinvolta nelle, e danneggiata dalle, modificazioni della Terra. Infine userò il termine Terra con la “T” maiuscola per indicare il pianeta e le sue risorse e il termine “terra” con la “t” minuscola, per indicare il suolo, il terreno, 

La società paleotecnica del carbone. 

Le prime vere grandi modificazioni della Terra da parte dell’uomo si ebbero con l’avvento dell’era del carbone che si può far coincidere con l’inizio dell’era paleotecnica. Al graduale impoverimento delle foreste come fonti di combustibili fece fronte la “provvidenziale” scoperta che il carbone, presente nel sottosuolo di molti paesi, poteva essere usato come combustibile. 

Il carbone, già nelle sue prime applicazioni, in Inghilterra, rivelò i suoi inconvenienti sotto forma di puzza e di polveri inquinanti, al punto da provocare, già nel Cinquecento, leggi che ne limitavano l’uso come combustibile. Ma la grande svolta paleotecnica si ebbe con il contemporaneo aumento della richiesta di energia e di ferro: la scoperta della polvere da sparo, la necessità di produrre cannoni e armi con materiali meno costosi del bronzo, spinsero alla ricerca di nuovi metodi di fabbricazione del ferro; nel Medioevo la trasformazione degli ossidi e dei minerali di ferro in ferro era realizzata con il carbone di legna, con una fonte di energia, quindi, rinnovabile ed eotecnica, ma ben presto il legno, in seguito al diboscamento, cominciò a scarseggiare e fu necessario cercare un sostituto del carbone di legna. 

Il carbone, per il suo elevato contenuto di carbonio, si prestava bene per le operazioni siderurgiche e nel 1600 cominciarono a diffondersi forni da ferro alimentati a carbone fossile. Siamo nel secolo in cui intellettuali e sapienti cercavano di capire “come sono fatti” i beni offerti dalla natura e come possono essere trasformati al vantaggio dell’economia e delle manifatture, il tempo in cui i filosofi, ricordiamo per tutti Francesco Bacone (1561-1626) e Renato Cartesio (1596-1650), sostenevano che la natura è ”strumento” necessario per il progresso tecnico e delle manifatture: anche se lo stesso Bacone avvertì che “alla natura si comanda solo se le si ubbidisce”. 

Il meccanismo di sfruttamento della natura e di modificazione della Terra era comunque avviato: i “chimici” mostrarono ben presto che il carbone fossile, scaldato in assenza di aria, si trasformava in un materiale, il “carbone coke”, che si prestava bene per la produzione del ferro, una scoperta che fu applicata industrialmente nel 1709 dall’inglese Abraham Darby (1677-1717); anzi le miscele di carbone coke e minerale potevano essere trattate in forni più grandi dei precedenti, gli altiforni, con i quali era possibile ottenere più ferro e a costi minori. 

Da questo momento in avanti è tutta una reazione a catena; nella trasformazione del carbone fossile in carbone coke si formano dei fumi che inquinavano l’aria e le acque nelle zone minerarie e metallurgiche; per diminuire questi inquinamenti vennero analizzati i fumi delle cokerie e ben presto qualcuno scoprì che, per raffreddamento, si potevano recuperare sostanze liquide e solide e gassose. Il recupero di catrame dai gas delle cokerie cominciò in Germania nel 1770 e quasi contemporaneamente furono separate a analizzate le altre componenti che si rivelarono utili come materie per la produzione di coloranti sintetici. La frazione gassosa era costituita da sostanze combustibili che potevano essere immesse in adatte tubazioni e che, bruciando con fiamma luminosa, vennero usate, a partire dai primi anni dell’Ottocento, per illuminare strade e poi officine, fabbriche e poi abitazioni. 

Nello stesso tempo la disponibilità di migliori qualità di ferro e acciaio permetteva di costruire motori — la svolta fu rappresentata dai perfezionamenti della macchina a vapore introdotti da James Watt (1736-1819) nel 1776 — e macchine per aumentare la produzione di tessuti e la fabbricazione di pompe con cui era possibile svuotare l’acqua dai pozzi minerari e aumentare la produzione del carbone. 

L’aumento della produzione di tessuti per una popolazione in aumento e per un proletariato che cominciava ad avere un pur piccolo reddito richiedeva migliori agenti lavanti e sbiancanti ed è ancora il carbone che permette di trasformare il sale in carbonato di sodio col processo inventato dallo sfortunato medico Nicola Leblanc (1742-1806). Il processo Leblanc richiedeva acido solforico che doveva essere prodotto trattando lo zolfo con processi inquinanti e durante la produzione della soda si formavano residui inquinanti come l’acido cloridrico e l’idrogeno solforato. 

In questo avvio dell’era paleotecnica, nella prima metà dell’Ottocento, praticamente l’unica fonte di zolfo era rappresentata dalle miniere della Sicilia; l’estrazione e la raffinazione dello zolfo, oltre ad effetti umani devastanti, provocò la distruzione dei raccolti e l’inaridimento di vaste zone della Sicilia, anche queste conseguenze di un processo reso possibile dal carbone. 

Altrettanto devastanti erano le modificazioni della Terra nelle zone minerarie e metallurgiche in Germania, Francia, Inghilterra. Alcune delle sostanze che si liberano nell’aria durante la trasformazione e l’uso del carbone facevano comparire strane malattie che i medici riconosceranno ben presto come forme di tumore derivanti dal contatto delle mani e del corpo degli operai e degli spazzacamini con tali sostanze “cancerogene”. 

Le città paleotecniche sono state descritte da Charles Dickens (1812-1970; si pensi alla Coketown di “Tempi difficili”, del 1854) e dagli scrittori “radicali” dell’Ottocento. Il trionfo del carbone è apparso allora così grande da far temere ad alcuni economisti, come Stanley Jevons (1835-1882), il possibile esaurimento delle riserve inglesi di carbone. Una previsione fuori luogo perché pochi anni prima che Jevons pubblicasse, nel 1865, “The coal question”, un certo “colonnello” Drake (1819-1880) aveva scoperto nel sottosuolo della Pennsylvania un nuovo combustibile, il petrolio, che avrebbe aperto una nuova fase della società paleotecnica. 

Il carbone ha continuato per tutto il Novecento e ancora in questo XXI secolo, ad avere un ruolo rilevante come fonte di energia in molti paesi, ma è sempre più esposto a contestazioni sia per il crescente numero di incidenti mortali nelle miniere, sia per l’inquinamento atmosferico provocato dal suo uso, sia, soprattutto, per il contributo all’effetto serra, molto più grande, a parità di energia liberata, rispetto ai prodotti petroliferi e al gas naturale, sia perché, infine, la combustione del carbone lascia delle scorie, in peso dal 10 al 15 % a seconda della qualità merceologica del carbone, oltre mezzo miliardo di tonnellate all’anno nel mondo, di difficile smaltimento in discariche. La situazione non è alleviata dalle molte, peraltro di limitato successo, proposte di gassificazione, di gassificazione sotterranea, di abbattimento degli inquinanti atmosferici. 

L’era paleotecnica del petrolio 

Il petrolio era un combustibile noto da secoli, ma aveva avuto fino all’Ottocento praticamente solo modesta importanza. Eppure nel corso del Novecento aprì una nuova fase dell’era paleotecnica contribuendo all’aumento dei guasti di tale società: la congestione, l’inquinamento, la devastazione urbana, la società dei consumi e dello spreco. 

Il successo merceologico del petrolio si ebbe con la scoperta che, per distillazione, poteva essere frazionato in varie materie combustibili liquide. A differenza del carbone, solido e trasportabile con difficoltà per mare o per ferrovia, il petrolio era più facile da trasportare e le sue varie frazioni si prestavano a molte applicazioni fino allora impensate. Non pensava ancora all’uso del petrolio Eugenio Barsanti (1821-1864) quando inventò, nella metà dell’Ottocento, un motore “a scoppio”, capace di trasformare un gas (all’inizio il gas illuminante) o un liquido (all’inizio l’alcol etilico) in un moto rotatorio. Ma certamente quando Nicolaus Otto (1832-1891) e poco dopo Rudolph Diesel (1858-1913) pensarono di utilizzare i liquidi distillati dal petrolio in un motore a combustione interna, diedero l’avvio alla seconda fase dell’era paleotecnica. 

Il nuovo motore ben presto si rivelò adatto ad azionare veicoli che si muovevano da soli — automobili — e, poco dopo, siamo ormai nei primi anni del Novecento, aeroplani. Il rapido aumento della produzione e della richiesta di automobili e di aeroplani, accelerata dalla prima guerra mondiale (1914-1919), fu accompagnata da un altrettanto rapido aumento delle richiesta di petrolio e dall’apertura di pozzi petroliferi dovunque era possibile: America, Russia, Romania, penisola arabica, Persia, eccetera. 

Nel 1850 la produzione mondiale di carbone era di circa 200 milioni di tonnellate all’anno e quella di petrolio era trascurabile, nel 1900 la produzione mondiale annua di carbone era diventata di 800 milioni di tonnellate e quella di petrolio era 25 milioni di tonnellate; nel 1938 la produzione mondiale annua di carbone era stata di 1500 milioni di tonnellate e quella di petrolio di 350 milioni di tonnellate, per arrivare, all’inizio del XXI secolo, ad una produzione quasi uguale, di oltre circa 4000 milioni di tonnellate all’anno, di carbone e di petrolio; quest’ultimo ormai estratto da territori sempre più difficili da raggiungere, come il fondo degli oceani e le zone artiche, con conseguenti profonde modificazioni di molte parti della Terra. 

L’impatto ambientale del carbone si era, fino ai primi decenni del Novecento, manifestato — vicino alle miniere, alle cokerie, alle fabbriche metallurgiche e chimiche e nelle caldaie in cui il carbone veniva bruciato, sostanzialmente in installazioni fisse — sotto forma di polveri, di sostanze cancerogene, di metalli tossici presenti nelle ceneri. Le modificazioni della Terra provocate dal petrolio e dai suoi derivati si manifestarono sotto forma di perdite vicino ai pozzi o nei mari o nelle raffinerie, ma in grado molto maggiore nelle nuove “macchine” mobili, veicoli che emettevano, ormai dovunque nel territorio, nelle città o nelle campagne, gas tossici, metalli velenosi, idrocarburi aromatici cancerogeni. 

La fase paleotecnica del petrolio fu caratterizzata da un aumento della mobilità, dalla rivoluzione urbana, dalla nascita di grandi strutture edilizie verticali, fino ai “grattacieli”, da una crescita della richiesta di nuovi materiali come la gomma o “la plastica” o l’acciaio. Nello stesso tempo il carbone e il petrolio vennero usati in quantità crescenti nella produzione di elettricità, quella comoda forma di energia che all’inizio era stata ottenuta da una fonte rinnovabile, come il moto delle acque, con le centrali idroelettriche. Le centrali termoelettriche hanno assorbito in tutto il Novecento e ancora oggi crescenti quantità di carbone e di prodotti petroliferi diventando importanti fonti di inquinamento atmosferico. 

Legato al petrolio, per la natura chimica degli idrocarburi che compongono entrambi e per la frequente vicinanza ai giacimenti petroliferi, è il gas naturale che può essere estratto anche da giacimenti a grande profondità e anche sotto il fondo degli oceani e può essere trasportato con grandi gasdotti che attraversano i continenti, o deposti sul fondo dei mari o in navi refrigerate allo stato liquido a bassa temperatura. 

Un nuovo volto della modificazione della Terra ad opera delle fonti di energia si manifesta sotto forma di alterazioni climatiche. Un autorevole studioso svedese, Svante Arrhenius (1859-1927), premio Nobel, già negli ultimi anni dell’Ottocento aveva indicato tali conseguenze del crescente uso dei combustibili fossili. I combustibili fossili sono sostanzialmente depositi di carbonio organico proveniente da residui vegetali e animali sommersi sotto strati di rocce e coperti da mari poi evaporati. Si tratta di materia formata, centinaia e decine di milioni di anni fa, dalla fotosintesi solare, biomassa anche quella, originariamente costituita da carbonio, idrogeno e ossigeno, e passata attraverso i grandi cicli biochimici e geologici. Utili indicazioni si possono ancora oggi trarre dalle fondamentali opere, “La biochimica” e “La geochimica”, scritte negli anni trenta del Novecento dallo studioso russo Vladimir Vernadsky (1863-1945), altro grande anticipatore dei temi trattati nel volume “Man’s role” a cui ci stiamo riferendo. 

Col passare del tempo e in seguito a reazioni microbiologiche, i materiali organici originali si sono trasformati in materie solide, liquide o gassose, ricche di carbonio, insieme ad idrogeno (di più nel gas naturale, di meno nel petrolio e poco nel carbone). La combustione di questo carbonio fossilizzato genera anidride carbonica che finisce nell’atmosfera. Alcuni calcoli mostrarono che l’aumento della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera avrebbe alterato il bilancio energetico della Terra; una frazione dell’energia solare incidente sarebbe stata intrappolata dentro l’atmosfera e avrebbe provocato un aumento della temperatura dell’atmosfera e quindi degli oceani e delle terre emerse. L’anidride carbonica funziona come filtro della radiazione infrarossa riemessa dalla Terra verso gli spazi interplanetari, in maniera simile a quanto fa una lastra di vetro che trattiene il calore all’interno di una serra. Il fenomeno ha così preso il nome di effetto serra, anche se non ha ricevuto grande attenzione fino alla seconda metà del Novecento quando si è visto che il rapido aumento della combustione di carbone, prodotti petroliferi e gas naturale, complessivamente oltre undici miliardi di tonnellate all’anno (equivalenti, insieme, a quasi 450 exajoule di energia) all’inizio del XXI secolo, provoca l’immissione nell’atmosfera, ogni anno, di circa 30 miliardi di tonnellate di anidride carbonica con conseguente lento inesorabile aumento della concentrazione atmosfera di questo gas (e di altri “gas serra” associati all’uso dei combustibili fossili) e crescenti modificazioni del clima della Terra e conseguente avanzata dei deserti, alluvioni, fusione dei ghiacci e innalzamento del livello medio degli oceani — una reazione a catena planetaria innescata dall’uso umano delle fonti energetiche fossili. 

Un ultimo aspetto sulla insostenibilità dell’uso dei combustibili fossili è legato alla crescente consapevolezza che le riserve di petrolio e di gas naturale sono fisicamente limitate; agli attuali tassi di estrazione, le riserve di petrolio vengono stimate utilizzabili per poche diecine di anni, forse 40 anni, e quelle di gas naturale possono durare un po’ più a lungo, esauribili forse entro una sessantina di anni. Ogni tentativo di aumentare l’accesso alle riserve residue, presenti a sempre maggiori profondità nel sottosuolo dei continenti e nel fondo degli oceani, comporta alterazioni ambientali e modificazioni della Terra. 

Un breve cenno su un’altra proposta, che sta trovando crescente ascolto, di produzione di energia dalla combustione dei rifiuti solidi urbani e industriali; questi rifiuti vengono indicati come una fonte di energia “rinnovabile”, con la scusa che una piccola parte dei rifiuti urbani è costituita da scarti di alimenti o di attività di origine vegetale e solare; in realtà gli inceneritori, in Italia chiamati termovalorizzatori, trattano ad alta temperatura rifiuti urbani e industriali, miscele complesse di merci usate e scartate, che non sono affatto derivate dal Sole, che sono fonti di inquinamento atmosferico, e che lasciano come residui sostanze inorganiche, ceneri, che devono essere poste in discariche e da qui contaminano le acque e l’ambiente. Ugualmente ingannevole è l’illusione di recuperare metano combustibile dalle discariche di rifiuti, in quanto tali modeste quantità di gas combustibile derivano dalla putrefazione di materiali i cui residui contaminano le acque sotterranee. Se davvero si volesse recuperare una parte dell’energia “contenuta” dentro qualsiasi merce usata dalle comunità umane si dovrebbero sviluppare tecniche di riutilizzo e riciclo, le uniche che consentono di diminuire i consumi complessivi di energia. 

Il volto paleotecnico dell’energia atomica

La terza fase paleotecnica nacque da una serie di scoperte fisiche verificatesi negli anni trenta del Novecento. Nel 1900 era stato descritto il fenomeno della radioattività, l’emanazione di energia (e di particelle) da parte di alcuni elementi naturali come il radio e il polonio. Cercando la causa di questo fenomeno fu scoperto che alcune particelle costituenti del nucleo atomico, sia dotate di carica elettrica positiva (le particelle alfa) sia prive di carica come i neutroni, interagivano con vari elementi modificandone il nucleo al punto da generare nuovi elementi. 

Vari esperimenti hanno mostrato, nel 1939, che in seguito all’urto dei neutroni con il nucleo di uranio, tale nucleo si frammenta in nuclei più piccoli liberando energia, anzi grandissime quantità di energia rispetto alla massa degli elementi in gioco. Tale energia poteva essere liberata in grande quantità in tempi brevissimi con carattere esplosivo — e questo fu alla base della produzione delle bombe atomiche, a partire dal 1944-45 — o poteva essere liberata in maniera controllata e poteva essere recuperata sotto forma di calore, in modo da alimentare dei generatori di vapore per la produzione di elettricità. 

Nasceva la terza fase dell’era paleotecnica, quella nucleare. La prima applicazione di queste scoperte fu di carattere militare, la costruzione di bombe atomiche, nelle loro varianti di bombe a fissione dell’uranio e del plutonio, o di bombe a fusione degli isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio (nelle bombe all’idrogeno, termonucleari). I sottoprodotti fisici, tecnologici e industriali delle attività di costruzione delle bombe atomiche potevano essere impiegati per la costruzione di centrali capaci di utilizzare il calore della fissione nucleare controllata per la produzione di elettricità, un programma lanciato dagli Stati Uniti nel 1951 col nome di “atomi per la pace”. 

C’è stato un periodo, negli anni cinquanta del Novecento, in cui si è diffuso il mito che l’energia nucleare avrebbe risolto tutti i problemi energetici umani; sarebbe stato possibile superare i problemi di scarsità delle fonti fossili, addirittura i reattori autofertilizzanti, alimentati a plutonio, avrebbero potuto utilizzare, durante il funzionamento, anche l’uranio non fissile. Reattori nucleari, collocati in qualsiasi punto della Terra, avrebbero potuto fornire calore ed elettricità per produrre ferro e alluminio, e prodotti chimici e concimi per sfamare la popolazione terrestre, e per dissalare l’acqua del mare irrigando i deserti. 

Il sogno si è dissolto rapidamente in seguito a vari incidenti, i più noti dei quali furono quello al reattore americano di Three Mile Island (1979) e la catastrofe al reattore ucraino di Chernobyl (1986), in seguito alle fughe di materiali radioattivi dai vari impianti nucleari nel mondo, alla fine ingloriosa del reattore autofertilizzante Superphenix e dei tanti soldi, anche italiani, dissipati in quella avventura. Così si sono dissolte pure le illusioni nate dalla “scoperta”, da parte di alcuni scienziati, della “fusione fredda”, che avrebbe dato energia illimitata senza tutti gli inconvenienti dei reattori a uranio e plutonio, scoperta poi rivelatasi infondata, o il sogno di ottenere elettricità commerciale dalla fusione dei nuclei di idrogeno, una reazione che effettivamente libera energia, ma utile solo per le bombe termonucleari a idrogeno. 

La possibilità di ottenere elettricità commerciale dalla fissione dei nuclei atomici si scontra con problemi tecnici, economici e di modificazione dell’ambiente che non hanno soluzione, tanto che la diffusione nel mondo di nuove centrali nucleari, in questo inizio del XXI secolo, procede molto lentamente. Molte grandi imprese industriali, direttamente o indirettamente legate alle attività militari, continuano a proporre un rilancio dell’energia nucleare che viene presentata come soluzione agli inconvenienti che derivano dal crescente consumo di combustibili fossili, primo fra tutti l’effetto serra responsabile dei mutamenti climatici che stanno affliggendo tanti paesi. E’ vero che la produzione di elettricità nucleare avviene senza formazione dei gas responsabili dell’effetto serra. E’ vero che le riserve mondiali di petrolio e di gas naturale si impoveriscono rapidamente e che un numero crescente di pozzi di idrocarburi si sta esaurendo. 

Ma in questo quadro la soluzione non può essere cercata nel ricorso alla costruzione delle centrali nucleari. Tali centrali funzionano con un complesso ciclo che comprende l’estrazione di minerali di uranio (che contiene appena lo 0,7 % di uranio-235 “fissile”), con formazione di scorie radioattive inquinanti, la trasformazione dell’uranio naturale nell’”uranio arricchito” (col 3 % di uranio “fissile”) destinato ai reattori nucleari (con formazione di residui radioattivi di uranio “impoverito” che finora hanno trovato impiego nei proiettili di cannoni). 

L’uranio arricchito viene poi sottoposto a fissione nei reattori con liberazione di calore e con formazione di atomi radioattivi (stronzio, cesio, iodio e altri) e di plutonio, tossico e radioattivo. Dopo vari mesi la “carica” del reattore viene estratta, con tutto il suo contenuto di elementi radioattivi, e viene lasciata a se per mesi o anni, con elevati costi di sorveglianza. Quando le piscine e i magazzini sono pieni degli elementi di “combustibile nucleare” esaurito, una parte viene sottoposta a delicate operazioni di separazione degli elementi radioattivi che devono essere tenuti isolati dalle acque e da qualsiasi forma di vita per decenni o secoli. C’è, all’insaputa di tutti, un traffico internazionale di residui radioattivi, alcuni destinati alla preparazione di armi nucleari, altri esposti a furti o ad azioni criminali; una parte finisce nei rottami e poi in materiali industriali. 

Quando poi la vita utile di un reattore è finita, dopo una trentina di anni, tutte le parti interne contengono materiali resi radioattivi per attivazione e la bonifica di un reattore, per evitare che le componenti radioattive finiscano nell’ambiente, comporta costi molto elevati e nessuna soluzione convincente è stata finora trovata. 

Così come non esiste alcuna soluzione per la sepoltura, per secoli, di tutti i materiali radioattivi formatisi durante il funzionamento e alla “morte” del reattore. Alcuni propongono di gettarne gradualmente una parte negli oceani, altri di sotterrarli in miniere di sale, o in posti isolati, ma finora nessun progresso verso una soluzione convincente è stata trovata e i costi di sorveglianza e immagazzinamento dei residui radioattivi delle attività nucleari aumentano continuamente, a mano a mano che aumenta il numero di centrali nucleari commerciali in funzione (nel 2008 circa 450 nel mondo), con una ”storia” di esercizio di oltre 12.000 anni-reattore, a cui vanno aggiunte le centrali e le attività nucleari militari. 

La critica alla resurrezione del nucleare ha anche altri aspetti: se si fanno correttamente i conti si vede che le centrali nucleari producono elettricità ad un costo “superiore” a quello delle centrali tradizionali, nonostante le volonterose dichiarazioni del contrario da parte dei sostenitori del nucleare. Le centrali nucleari, durante il loro funzionamento “normale”, sono fonti di un sia pur limitato ma continuo inquinamento radioattivo e inoltre di un inquinamento termico dell’aria e delle acque superiore, a parità di elettricità prodotta, a quello delle altre centrali. Le centrali nucleari sono esposte a incidenti: quella di Chernobyl fu una catastrofe, ma altri incidenti sono avvenuti e sono possibili, con pericolo per le popolazioni, tanto che le norme internazionali impongono che le centrali siano collocate a distanza di sicurezza da centri abitati, industrie, installazioni militari. 

Riassumendo, le centrali nucleari non sono economiche, non sono sicure, non sono pulite e, con i materiali radioattivi che inevitabilmente generano, condannano diecine di generazioni future a far la guardia a pericolosi depositi che esse si troveranno intorno, senza neanche sapere perché le generazioni precedenti hanno voluto correre l’avventura nucleare. 

La soluzione nucleare per la produzione di elettricità è improponibile e va rifiutata per lo stretto legame che esiste fra il ciclo nucleare delle attività “commerciali” con quelle militari che le norme internazionali, come il Trattato di non proliferazione nucleare, impongono (imporrebbero) di far cessare sia nei paesi che oggi possiedono armi e attività militari nucleari, sia in quelli, sempre più numerosi, che hanno tentazioni di costruire proprie armi nucleari. Ma nessun passo verso la denuclearizzazione della Terra è stato finora fatto: da qui la necessità di cercare altre strade. 

Verso una società neotecnica

 

Il XXI secolo si è aperto con una chiara visione del fatto che le fonti di energia usate — carbone, petrolio, gas naturale, fissione del nucleo atomico — provocavano profonde modificazioni della Terra. Pochi dati (peraltro approssimativi), relativi alla situazione dei consumi mondiali nel 2008, possono dare un’idea delle modificazioni apportate agli ecosistemi terrestri e alle società umane dall’uso di tali fonti di energia:

 

                                                                        Consumo                                  Massa degli agenti inquinanti

                                               miliardi di t/anno          EJ/anno                          miliardi di t/anno

 

Carbone                                                        5,5                   130                                            10            

Petrolio                                                        4,5                    180                                            10

Gas naturale                                              2,5                     120                                              7   

Energia nucleare                                     —-                        35                                           — ? –

Energia idroelettrica e altre (*)         —-                        30                                             —              

(*) Contabilizzata a circa 9 MJ per chilowattora

Come sarà possibile assicurare energia, dalla quale dipende la possibilità di ottenere qualsiasi altra merce, dagli alimenti, all’acqua, alle abitazioni, alla salute, ai mezzi di comunicazione e di mobilità, ad una popolazione mondiale di 6600 milioni di persone nel 2008, che aumenta in ragione di 70 milioni di persone all’anno ? Come sarà possibile dare una risposta a tale domanda rallentando le modificazioni della Terra in corso e nel rispetto dei diritti delle future generazioni ad un pianeta abitabile, e dei diritti dei paesi più poveri a condizioni di vita decenti e “umane” ? 

La soluzione può essere cercata soltanto in una svolta nella direzione che era stata indicata da Mumford, verso una società neotecnica basata su fonti di energia e materiali rinnovabili, derivati dal Sole, a cui dovrebbe seguire una società biotecnica. Il Sole è, infatti, l’unica vera fonte di energia da cui dipende la vita sulla Terra, che ha regolato i cicli e le ere geologiche del passato, che ha fabbricato la materia vegetale da cui si è formata la materia animale e la materia che si è poi trasformata negli attuali combustibili fossili. 

All’interno del Sole, ad altissima temperatura, molti milioni di gradi, si svolgono continuamente reazioni di fusione fra nuclei dei vari isotopi dell’idrogeno 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. Di tutta l’energia irraggiata dal Sole la Terra intercetta soltanto una frazione piccolissima; nel corso di un anno l’energia che raggiunge la superficie della Terra ammonta a circa 3.500.000 EJ (exajoule) ed è circa ottomila volte superiore a tutta l’energia — circa 450 EJ — che, in un anno (nel 2008), sulla Terra, tiene in moto le fabbriche, gli 800 milioni di autoveicoli, le macchine, i frigoriferi, scalda gli edifici, eccetera. Dell’energia solare che arriva sulla superficie del pianeta, circa 2.500.000 EJ raggiungono la superficie degli oceani e circa 1.000.000 EJ quella delle terre emerse. 

L’energia solare svolge, da miliardi di anni, alcune funzioni fondamentali per il “funzionamento” e per la vita della Terra. 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 tonnellate 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 55.000 miliardi di chilowattora (circa 200 exajoule, a 3,6 MJ/kWh)) all’anno; si tratta di energia meccanica, quella che si “libera” quando l’acqua supera un dislivello e che può essere recuperata facendo passare tale acqua attraverso ruote o turbine. Di questo grande potenziale energetico ogni anno viene recuperata come energia idroelettrica soltanto una frazione minima, poco più del sei percento, circa 3.000 miliardi di kilowattore (nel 2008). 

Il ciclo dell’acqua ha un ruolo fondamentale nel clima del pianeta e quindi sulle modificazioni “naturali”; 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 grandissima forza può anch’essa essere utilizzata come fonte di energia, e provoca il moto delle onde sulla superficie dei mari: vento e moto ondoso entrambi potenziali fonti energetiche derivate dal Sole. 

Speranze e qualche limite della società neotecnica solare 

L’importanza dell’uso delle fonti energetiche rinnovabili di origine solare sta nel fatto che (a) il loro uso arreca modificazioni della Terra molto minori, rispetto a quelle fossili e all’energia nucleare e (b) che esse si prestano a fornire le merci energetiche in tutte le forme ottenibili dalle fonti non rinnovabili: calore ad alta e bassa temperatura, elettricità, energia meccanica, merci alimentari e materie prime industriali. 

Il “calore” solare può essere concentrato, con un sistema di specchi,in uno spazio piccolissimo tanto che nel punto di concentrazione, nel “fuoco” del sistema, si raggiungono temperature altissime; forse con qualche lente o specchio gli uomini primitivi hanno acceso i primi fuochi, “catturando” il calore del Sole. 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 un insieme 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. Abbastanza curiosamente la prima applicazione dell’energia solare, su cui si vorrebbe costruire una società neotecnica meno violenta e inquinata, sarebbe stata pensata a fini militari. Di certo il problema degli specchi e delle lenti incendiarie, “ustorie”, ha affascinato i matematici per duemila anni dal mondo greco, a quello persiano e islamico in Asia a quello cinese, tornando poi nel Mediterraneo, la prima multinazionale scientifica alla rincorsa dell’uso del Sole: un altro esempio di solidarietà internazionale alla ricerca di strumenti per le energie rinnovabili è offerto dagli strumenti per utilizzare l’energia del vento e l’energia del moto delle acque, i motori a vento e i “mulini”, passati dalla Cina, all’Asia centrale, al Mediterraneo. 

Il riscaldamento ad alta temperatura, mediante specchi solari, dei materiali ha permesso di scoprire nuove proprietà della materia, già nel Settecento, e ha stimolato moltissime invenzioni di motori e macchine azionati dal vapore ottenuto concentrando l’energia solare con specchi. L’ottenimento di calore ad alta temperatura mediante la concentrazione della radiazione solare è apparentemente affascinante, ma presenta numerose difficoltà, in primo luogo perché è in grado di utilizzare soltanto la radiazione diretta, quella disponibile quando il cielo è limpido, e la frazione di energia solare diretta disponibile varia a seconda dei luoghi e delle stagioni; i tentativi di far funzionare delle centrali termoelettriche con collettori a specchi non hanno finora avuto successo; una centrale solare a specchi costruita in Sicilia è stata chiusa dopo pochi anni di cattivo funzionamento. Altre difficoltà hanno incontrato le varie centrali solari a specchi costruite in vari paesi. 

La causa dell’insuccesso va cercata nel fatto che una caldaia, necessaria per alimentare le turbine di una centrale elettrica, deve disporre di un flusso di calore non solo ad alta temperatura costante, ma anche continuo; nel caso delle centrali a specchi o con concentrazione basta che il cielo si rannuvoli perché il calore solare cessi di arrivare nella caldaia che non è più in grado di generare il vapore necessario per il funzionamento della turbina. L’impianto deve pertanto essere dotato di un sistema di conservazione del calore ad alta temperatura per tempi abbastanza lunghi, il che è difficile. Infine gli specchi devono essere continuamente orientati verso il Sole, seguendo il suo “moto apparente” nel cielo, variabile da giorno a giorno, operazione anche questa non facile. I limiti dei sistemi a concentrazione 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. 

Il Sole scalda l’acqua e le case

Le cose vanno meglio se ci si accontenta di ottenere dal Sole calore a bassa temperatura, che è la più sperimentata applicazione in quanto permette di utilizzare la radiazione solare sia diretta sia diffusa. 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 diecine, progettati principalmente per sollevare l’acqua dal sottosuolo nelle zone aride, e alcuni sono anche stati costruiti e venduti. Il principale inconveniente dei collettori di calore solare a bassa temperatura sta nel fatto che d’inverno il riscaldamento ottenibile è 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. Qualche successo hanno avuto i sistemi di accumulo del calore basato sulla proprietà di alcuni sali (per esempio il solfato sodico decaidrato) di fondere a relativamente bassa temperatura (per esempio intorno a 50°C) con assorbimento di calore; per raffreddamento i sali ritornano allo stato solido restituendo, per esempio di notte, il calore di fusione accumulato. 

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, la soluzione dello strato salino non si mescola con l’acqua dolce sovrastante. Il calore solare attraversa lo strato superficiale di acqua dolce 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, costante per mesi. Questi “stagni solari” costituiscono un vero e proprio sistema di “accumulo” del calore solare, funzionante tutto l’anno, dal quale il calore del fondo può essere gradualmente prelevato e può essere utilizzato come fonte di energia. Alcuni stagni solari sono in funzione in vari paesi, ma la tecnologia può certamente essere applicata su scala maggiore. 

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 costante, che può arrivare anche a venti gradi Celsius, fra gli strati superficiali caldi e quelli freddi profondi. Già negli anni trenta del Novecento sono stati costruiti i primi dispositivi per ottenere energia meccanica utilizzando la differenza di temperatura degli oceani; in tali macchine l’acqua fredda viene sollevata dagli strati profondi e viene portata a contatto con l’acqua superficiale più calda e la pur piccola differenza di temperatura viene trasformata in energia elettrica; il rendimento è modesto, circa l’uno-due percento del calore delle acque superficiali è trasformato in elettricità, ma le macchine sono relativamente semplici e grandi progressi possono ancora essere fatti. 

Con il calore a bassa temperatura ottenuto con collettori solari è possibile essiccare prodotti agricoli, azionare condizionatori d’aria, frigoriferi, scaldare e rinfrescare edifici, tutte applicazioni che potrebbero dare un contributo fondamentale al miglioramento di vita delle popolazioni rurali e isolate in molti paesi poveri, dove sono inaccessibili macchine azionate con combustibili fossili o dove non sono disponibili grandi quantità di elettricità. Si tratta di applicazioni basate su “tecnologie intermedie” che possono essere realizzate con materiali locali, disponibili anche nei paesi poveri e utilizzando, in molti casi e paesi, esperienze e “saggezze” che erano una volta note e familiari anche nei paesi oggi “industriali” e che sono state dimenticate a mano a mano che i combustibili fossili offrivano soluzioni più comode. Insomma, la transizione dalla era paleotecnica ad una età neotecnica potrebbe contribuire anche a recuperare conoscenze e diversità culturali utili che sono state perdute. 

Acqua potabile dal Sole

 

La conquista europea delle colonie africane spinse i colonizzatori, davanti a tanta abbondanza di Sole nelle nuove terre conquistate, a inventare dei sistemi per ottenere calore o elettricità dal Sole e fra questi un ruolo importante hanno avuto i motori solari per sollevare l’acqua dal sottosuolo e soprattutto i distillatori solari capaci di trasformare l’acqua di mare o le acque salmastre in acqua potabile, capaci cioè di alleviare la sete nelle zone aride. Il primo grande distillatore solare fu costruito intorno al 1880 e funzionò per una trentina d’anni sull’arido altopiano cileno dove era disponibile soltanto acqua salmastra; un ingegnere tedesco-cileno costruì un distillatore alimentato dal Sole che forniva 4.000 litri di acqua potabile al giorno ai minatori. 

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, di dotazione agli aviatori americani, consentiva ai naufraghi di sopravvivere fornendo qualche litro al giorno di acqua dolce per distillazione dell’acqua di mare col calore del Sole. 

La distillazione solare dell’acqua di mare è di grande importanza perché risolve l’annoso problema della mancanza di acqua dolce nelle zone costiere; milioni di chilometri di coste bagnate dall’acqua salina dei mari non hanno acqua dolce e 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. 

I distillatori solari sono dispositivi relativamente semplici. 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 sulla superficie interna del “tetto” trasparente, sotto forma di acqua priva di sali, che viene recuperata; i distillatori solari hanno il vantaggio di utilizzare il calore solare a mano a mano che diventa disponibile, tanto che è possibile utilizzare fino al 40 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 recuperare 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, d’estate può fornire fino a 300 litri di acqua dolce al giorno. Sono stati sperimentati diecine di modelli di distillatori solari e questa è una delle soluzioni neotecniche che sembra di più immediata applicazione su larga scala per soddisfare uno dei più importanti bisogni umani. 

Elettricità dal Sole

A parte la produzione dal Sole di calore a bassa temperatura, uno dei campi che ha ricevuto più attenzione è la produzione di elettricità utilizzando sia il calore solare, sia la radiazione elettromagnetica solare. Antonio Pacinotti (1841-1912), fisico pisano inventore, fra l’altro, della dinamo, descrisse, già nell’Ottocento, l’effetto termoelettrico solare: se la radiazione solare raggiunge la saldatura fra due metalli, tenuti a diversa temperatura, ai capi dei fili metallici si osserva una differenza di potenziale, cioè i fili sono percorsi da una corrente elettrica. 

Molto maggiore è stato il successo dei sistemi di produzione dell’elettricità dal Sole per effetto fotovoltaico, utilizzando la radiazione elettromagnetica solare; dall’Ottocento era noto l’effetto fotoelettrico del selenio e del silicio, sostanze nelle quali si forma una corrente elettrica nell’esposizione successiva alla luce e al buio, ma la grande svolta tecnico-scientifica si ebbe nel 1954 con l’invenzione delle celle fotovoltaiche costituite da sottili piastrine a base di silicio trattato in modo speciale, capaci di trasformare la radiazione solare in elettricità, direttamente, senza macchine o parti in movimento. Realizzate originariamente per la produzione di elettricità a bordo dei satelliti artificiali, cominciarono ben presto ad avere applicazioni terrestri. 

Le primissime furono pensate come strumenti per fornire elettricità su piccola scala nelle zone isolate, per alimentare delle “radio di villaggio” con le quali, senza dover ricorrere ad altre fonti di energia, qualsiasi villaggio avrebbe potuto essere informato degli eventi del mondo, delle previsioni meteorologiche; con le fotocelle solari qualsiasi comunità isolata avrebbe potuto avere l’elettricità indispensabile per far funzionare un frigorifero, dei sistemi di telecomunicazioni o delle luci. 

Le attuali celle fotovoltaiche consentono di produrre da 100 a 150 kilowattore di elettricità all’anno per ogni metro quadrato di superficie di fotocelle esposte al Sole, con un “rendimento di circa il 12-13 % rispetto alla radiazione solare incidente, un valore abbastanza basso anche perché le fotocelle al silicio, pur utilizzando la radiazione solare sia diretta sia diffusa, trasformano in elettricità soltanto la frazione rossa e infrarossa vicina della radiazione elettromagnetica solare. 

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. 

A proposito dell’utilizzazione della radiazione elettromagnetica solare si possono ricordare le prospettive della fotochimica, cioè delle modificazioni indotte dalla luce sulle molecole e sugli esseri viventi; alcune molecole esposte alla luce del Sole si trasformavano in altre e “tornano indietro” nella forma di partenza, al buio, restituendo l’energia “immagazzinata” durante il giorno..

Energia dal vento generato dal Sole 

Una delle più importanti fonti di energia derivate dal Sole è rappresentata dal vento. 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 sono, quindi, l’effetto meccanico del funzionamento di giganteschi collettori solari. 

Esistono e sono stati sperimentati e costruiti, fin dal Medioevo, moltissimi dispositivi che trasformano la forza del vento in energia meccanica. Come si è già ricordato, i “mulini a vento” sono stati utilizzati all’inizio probabilmente nell’Asia centrale e da qui sono arrivati in Cina verso oriente e nel Mediterraneo verso occidente; gli europei a loro volta hanno copiato l’idea dal mondo islamico costruendo, dall’Olanda alla Grecia, motori capaci di azionare mulini da cereali o macchine, altro interessante esempio di scambio di invenzioni utili e neotecniche. 

Gli attuali generatori eolici sono costituiti da un’elica o un sistema di pale rotanti esposti al vento che si mettono in moto quando la velocità del vento supera un valore minimo, generalmente di una diecina di chilometri all’ora. Da questa velocità in avanti un motore a vento trasforma l’energia del vento in energia meccanica utile con un rendimento che dipende dalla superficie della rotazione delle pale e dalla terza potenza della velocità del vento. I motori eolici moderni possono andare da macchine con eliche di grande diametro a piccoli motori fabbricati con tecnologie “intermedie” relativamente rudimentali. L’energia meccanica ottenuta dal vento può essere utilizzata per azionare dinamo per la produzione di elettricità, o pompe o macchine. 

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 recuperabile 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. Sono state descritte 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. E’ anche 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 chilometro di costa. 

L’altra forma in cui può essere ricavata energia meccanica da una fonte derivata dal Sole riguarda l’utilizzazione della forza “contenuta” nel moto delle acque. Si è già accennato che poco più del sei per cento dell’energia contenuta nel moto dei fiumi sulla Terra è recuperata come energia idroelettrica. In genere i grandi fiumi e le grandi montagne e i relativi rilevanti salti di acqua 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, vicino alle centrali, per elettrolisi l’idrogeno, gas combustibile non inquinante da trasportare con condotte, simili ai metanodotti, nei luoghi di utilizzazione, 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, realizzabili anche queste con “tecnologie intermedie”. Finora spesso l’energia idroelettrica è stata recuperata con interventi sul territorio sconsiderati dal punto di vista ecologico. Le proposte di una società neotecnica presuppongono invece di utilizzare il Sole in maniera compatibile con i suoi caratteri e con le grandi leggi della natura. 

Alcune proposte di regolare il corso dei grandi fiumi con la creazione di laghi artificiali, dighe, centrali idroelettriche, apparentemente neotecniche in quanto basate su una risorsa derivata dal Sole e continuamente disponibile, possono peraltro avere effetti devastanti — 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 molte grandi centrali idroelettriche. Alcuni disastri, come, in Italia, il crollo della diga di Gleno nel 1923, o la catastrofe del Vajont (1963), in cui un pezzo di montagna è franato nel lago artificiale provocando la fuoriuscita, al di sopra della diga, che peraltro rimase intatta, di una massa d’acqua che ha spazzato via duemila vite umane, sono il frutto di interventi fatti in modo paleotecnico, con una visione miope e sotto la spinta della speculazione e del profitto. 

Verso una società biotecnica solare

 

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: 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 che è il sottoprodotto (in un certo senso il “rifiuto”) della reazione. E con sottrazione dall’atmosfera di anidride carbonica responsabile dell’effetto serra. Alla fine, in seguito anche ad altre reazioni che comportano l’uso dell’azoto fornito dal terreno e di altri elementi, nei vegetali si forma un insieme di sostanze organiche ricche di energia. Si tratta, principalmente, di zuccheri, amido, cellulosa, lignine, sostanze proteiche, grassi, eccetera. 

Se questi vengono bruciati restituiscono, come calore, l’energia che il Sole ha messo a disposizione per la loro sintesi. Si può quindi dire che le sostanze organiche presenti nella massa vivente vegetale — nella “biomassa” — “contengono” incorporata dentro di se energia solare e tale energia restituiscono bruciando, sia nel corpo degli animali che se ne nutrono — ogni persona e ogni animale “mangia” energia solare — sia come combustibili per usi umani. 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. 

Complessivamente 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. Per rendersi conto del ruolo straordinario che il Sole svolge nella nostra vita come fonte di energia (praticamente ”eterna” sulla scala dei tempi del pianeta Terra), vale la pena di ricordare che tutti i prodotti vegetali “commerciali”, alimentari e non alimentari, usati in un anno da tutti gli abitanti della Terra — dai cereali, alle patate, dalla verdura alle barbabietole, ai prodotti forestali — ammontano a circa tre miliardi di tonnellate. 

La quantità di energia solare che può essere fissata dalla vegetazione varia molto a seconda del tipo di piante, delle condizioni climatiche, eccetera. Inoltre la fotosintesi utilizza soprattutto la componente visibile della radiazione solare. Nelle zone in cui sono presenti colture ecologicamente stabili — come grandi foreste — è possibile recuperare sotto forma di sostanze organiche circa l’uno per cento della radiazione solare totale incidente. Se si considera che gli scaldacqua solari e i distillatori solari utilizzano praticamente circa il 40 % della radiazione solare incidente e che le celle fotovoltaiche solari trasformano in elettricità non più del 13 % della radiazione incidente totale, si vede che un rendimento dell’uno per cento, senza macchine, si può considerare buono. 

La maggior parte della biomassa fabbricata dal Sole non “serve” a niente, dal nostro 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. 

Comunque ciascuna delle sostanze presenti nella biomassa vegetale sarebbe ed è utilizzabile direttamente come combustibile o trasformata 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. 

La materia organica vegetale presente nella biomassa è, peraltro, una fonte di energia ben differente dal petrolio, dal carbone, dal gas naturale, dalla benzina. Si possono tuttavia trasformare le sostanze organiche vegetali in combustibili liquidi, oppure in materie prime che, alternativamente, dovrebbero essere fabbricate usando petrolio. Se le sostanze organiche della biomassa sono ricche di amido e zuccheri queste possono essere trasformate per fermentazione in alcol etilico; è la stessa operazione che si ha nel vino e nella birra, derivati da materie agricole “solari” anch’essi. L’alcol etilico puro è un liquido combustibile che può essere miscelato con la benzina e può essere utilizzato, quindi, come carburante per autoveicoli. 

Già in passato in vari paesi, e anche in Italia, negli anni trenta e quaranta del Novecento, l’alcol etilico di origine agricola, e, quindi, derivato dal Sole, è stato usato come carburante per autoveicoli. Per molti decenni in Brasile l’alcol etilico ottenuto dallo zucchero di canna è stato usato come carburante con notevole risparmio di prodotti petroliferi; negli Stati uniti è stato ed è usato come carburante l’alcol etilico derivato dall’amido di mais. I materiali lignocellulosici possono anch’essi essere trasformati in alcol etilico per fermentazione, oppure, per riscaldamento ad alta temperatura, possono essere trasformati in due gas — ossido di carbonio e idrogeno — dai quali si può ottenere per sintesi alcol metilico il quale può anch’esso essere usato in miscela con la benzina come carburante per autoveicoli. 

In molte operazioni agricole si formano dei sottoprodotti che possono essere trasformati in metano, un gas combustibile che è anzi lo stesso costituente del gas naturale, mediante processi semplici e noti. Si parla di “biogas” per indicare il metano ricavabile per fermentazione da sottoprodotti e scarti agricoli e zootecnici, quindi il metano “solare”.Interessanti prospettive ha anche la coltivazione “artificiale” di alghe verdi fotosintetiche in grandi vasche esposte al Sole; alcune alghe hanno una grande velocità di riproduzione e la loro biomassa può essere utilizzata a fini energetici commerciali. 

Domani

L’attenzione per l’energia solare offre l’occasione per pensare ad un futuro basato sulle fonti energetiche rinnovabili, tutte associate all’energia irraggiata dal Sole, al posto di quelle esauribili o responsabili di gravi modificazioni della Terra, ma anche per progettare una maniera diversa di vivere e di produrre. 

Benché il Sole sia tanto attraente come fonte di energia, dal momento che la sua radiazione è capace di fornire energia nelle forme richieste dalle attività umane — calore, elettricità, energia meccanica — i progressi nel campo dell’energia solare sono stati finora lenti e travagliati perché la transizione dall’attuale società paleotecnica, basata sullo sfruttamento delle fonti di energia fossili, non rinnovabili e inquinanti, ad una “società neotecnica solare” richiede non soltanto buone macchine e innovazioni tecnico-scientifiche, ma anche profondi mutamenti economici e sociali, il primo dei quali è di carattere territoriale e geopolitico. 

Si pensi, per esempio alla struttura delle città. La città moderna, con edifici a più piani, è dipendente dai combustibili fossili. Una famiglia in una casa da 100 m2 ad un piano usa energia, sotto forma di elettricità e di calore invernale, da 10 a 20 mila kWh (elettrici e termici) all’anno. La radiazione solare che raggiunge la superficie di tale casa potrebbe essere trasformata in elettricità o calore in quantità corrispondente, all’incirca, agli stessi 10-20 mila kWh/anno. Se gli abitanti di tale casa percorressero 5.000 km all’anno, con un veicolo che percorre un km con 0,1 kg di carburante petrolifero, per utilizzare un carburante ricavato dal Sole dovrebbero disporre della biomassa ottenibile da un decimo di ettaro di terreno coltivato a piante energetiche, un relativamente piccolo spazio intorno alla casa. 

Ma non appena si passa ad edifici a più piani, per soddisfare i fabbisogni energetici degli abitanti occorrerebbero collettori solari di superficie ben più grande di quella dell’edificio e spazi di terreno coltivati a carburanti “solari” sempre più grandi e distanti dall’edificio. Per questo “la città”, così come è strutturata nei paesi industriali, con edifici che devono sfruttare al massimo lo spazio e quindi estendersi in verticale, “deve” per forza essere alimentata da fonti petrolifere o da gas o da fonti energetiche non rinnovabili. 

Una città verticale, per quanto ben progettata, non può né crescere né sopravvivere davanti ad una crescente scarsità di idrocarburi, al loro crescente uso, anche per l’aumento dei trasporti delle persone dalle abitazioni agli uffici, eccetera, e per il crescente inquinamento. La crisi energetica urbana, qui appena delineata, si aggrava con  l’aumento della popolazione mondiale (circa 70 milioni di persone all’anno) e con la tendenza allo spostamento di una crescente frazione della popolazione di ciascun paese nelle città dove è più elevato il profitto per i proprietari dei suoli e dove i lavoratori sono più facilmente disponibili, vicino a fabbriche, negozi, uffici. 

Gli “apparecchi” solari finora inventati saranno poca cosa se non verrà fatto un salto culturale di grande importanza. Una società solare dovrà quindi inventare anche 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. Una società solare dovrà progettare la distribuzione di abitazioni e servizi coerente con la capacità si sopportazione — con la carrying capacity — del territorio, della Terra e dovrà progettare e realizzare nuovi mezzi e modi di trasporto compatibili con la disponibilità della “vera” fonte energetica affidabile, il Sole. 

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. A parte il fatto 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’affermazione è in genere vera, secondo le regole della contabilità tradizionale, 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 o dei disastri provocati dai mutamenti climatici. Le modificazioni della Terra provocate dalle attività umane hanno un costo monetario individuale e collettivo. 

La convenienza, anche in termini contabili, a ricorrere alle fonti di energia derivate dal Sole, apparirà ancora più chiara se si adotteranno, oltre a quelli monetari, altri indicatori del valore tali che, per ciascun processo, per ciascuna merce sia identificata la quantità di energia richiesta, il “costo energetico”, e la qualità dell’energia impiegata, essendo più “pregiata”, “valendo” di più, l’energia ottenuta da fonti rinnovabili, mentre dovrebbero costare di più, in termini monetari, le merci e i servizi ottenuti con maggiori quantità di energia, per unità di merce e di servizio, e con fonti non rinnovabili e inquinanti, che maggiormente contribuiscono a modificare la Terra. 

Dal Sole può partire un auspicato processo di trasformazione economica e produttiva nella quale le risorse rinnovabili risolvono in maniera più giusta, più equa, più sicura, meno violenta e con meno sprechi e meno inquinamenti, il problema dell’energia nel futuro. Da tale trasformazione trarranno vantaggio i paesi industriali, ai quali saranno offerte occasioni di innovazione e occupazione, e quelli in via di sviluppo, spesso ubicati in zone ricche di energia solare, i quali, grazie al Sole, potranno risolvere con successo i propri problemi di vita e di sviluppo economico. 

Lo aveva intuito cento anni fa un famoso professore di chimica dell’Università di Bologna, Giacomo Ciamician (1857-1922), che, nella prolusione all’anno accademico 1903-1904, aveva detto: “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 con la forza della luce del Sole che non costa niente e non paga tasse !“. In una conferenza tenuta nel 1912 negli Stati Uniti lo stesso professor Ciamician riprendeva questo tema: “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 ! I paesi tropicali ospiterebbero di nuovo la civiltà che in questo modo tornerebbe ai suoi luoghi di origine“.