SM 3532a — Breve storia dell’energia solare I — 2013

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Energie & Ambiente Oggi, 3, (9), 76-78 (marzo 2013) 

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

Quando si parla di energia solare il pensiero corre subito alle distese di pannelli fotovoltaici che si stanno diffondendo in tanti paesi. In Italia, ma dicono che la Cina sia la più grande produttrice di elettricità dal Sole, e anche la più grande produttrice e esportatrice di pannelli solari e di macchinari che utilizzano fonti energetiche rinnovabili, fra cui motori eolici che producono elettricità utilizzando la forza del vento che deriva, anche lei, dal modo in cui il Sole scalda diversamente i vari continenti. E poi si pensa alle grandi centrali con specchi piani o parabolici che concentrano la radiazione solare in modo da ottenere vapore a temperatura sufficientemente alta in grado di alimentare turbine elettriche. Il calore solare, infine può essere utilizzato per riscaldamento a bassa temperatura di acqua per usi igienici e di edifici. Senza contare che l’energia idroelettrica, prodotta nel mondo in ragione di circa 3.500 miliardi di chilowattora all’anno rispetto ad una produzione mondiale annua di elettricità di circa 18.000 miliardi di chilowattore, deriva dal moto delle acque, anche lui derivato dal ciclo di evaporazione e condensazione dell’acqua planetaria, alimentato dal Sole. Ma ancora di più, guardando al futuro, il Sole rappresenta la grande speranza per liberare le società industriali dalla dipendenza dallo scarso petrolio e dall’inquinante carbone; col Sole è quindi possibile alleggerire anche l’immissione nell’atmosfera dei gas serra che alterano il clima. 

A dire la verità il Sole ha rappresentato sempre, anche prima dei pannelli fotovoltaici, la fonte di energia per l’umanità fino al Seicento. Innanzitutto il Sole è la fonte di energia che produce la biomassa vegetale che sta alla base dell’unica irrinunciabile “merce” costituita dagli alimenti umani e animali. Ancora oggi la biomassa vegetale da cui ricavare “merci economiche” come alimenti e legname assorbe ogni anno una quantità di energia corrispondente a quella “contenuta” in circa 5 miliardi di tonnellate di petrolio, una quantità superiore a quella di tutto il petrolio estratto ogni anno dai pozzi. 

Dalla biomassa vegetale solare le società del passato hanno tratto legname come combustibile e come materiale da costruzione, il calore solare è stato sfruttato sulle rive del mare per ottenere il prezioso sale, indispensabile per conservare la carne e le pelli, col vento sono state mosse le navi e, naturalmente, dalla biomassa solare sono stati tratti gli alimenti per gli esseri umani e per gli animali, il cui lavoro ha fornito lavoro meccanico prima dell’invenzione dei trattori a motore. Senza contare che dal Sole traggono la maggior parte dell’energia utile gli abitanti delle zone povere del pianeta. 

Del resto non c’è da meravigliarsi perché è grandissima la quantità di energia irraggiata dal Sole che raggiunge la Terra, messa a girare intorno al Sole ad una distanza “giusta” tale da ricevere dal Sole, tanta, ma non troppa, energia in modo da raggiungere, grazie all’atmosfera gassosa, una temperatura media un po’ superiore a quella che chiamiamo zero gradi Celsius, quella giusta per tenere l’acqua allo stato liquido. 

Oggi abbiamo motivo di comprendere lo straordinario ruolo del Sole anche se le antiche società umane hanno studiati attentamente il Sole, il suo moto apparente nel cielo e si sono interrogate come ricavarne qualcosa di utile per alleviare la fatica del lavoro umano. 

Le notizie sulla utilizzazione intenzionale del calore solare si perdono nelle leggende. Chi sa chi è stato il primo a scoprire che con certe pietre rotonde il calore solare poteva essere concentrato su un corpo scaldandolo fino alla temperatura di accensione del fuoco. Si dice che il fuoco delle Olimpiadi (siamo circa 2500 anni fa) veniva acceso con una “lente”che concentrava il calore solare e che qualche simile artifizio era usato per accendere i fuochi “sacri” di molti riti religiosi. Ne parla Plutarco nel I secolo dopo Cristo. 

Esiodo, nell’8° secolo a.C. nella “Teogonia” parla di “strumenti concavi” capaci di sfruttare il “fuoco inesauribile”; tre secoli dopo Aristofane nelle ”Nuvole” racconta di uno Stepsiade che, per sfuggire ai creditori, aveva utilizzato una pietra diafana per fondere col calore solare la cera delle tavolette in cui erano segnati i suoi debiti. Citazioni interpretabili come riferite all’uso di lenti o specchi ustori si trovano in Aristotile, in Teofrasto e nella “Catottrica” di Euclide il quale afferma che si può accendere un fuoco con specchi concavi orientati verso il Sole. 

Fino ad arrivare alla leggenda secondo cui Archimede, ma il racconto appare negli scrittori molti secoli dopo, con qualche artifizio solare, specchi piani o lenti, avrebbe incendiato a distanza le vele della flotta di Marcello che assediava Siracusa. Sta di fatto che si deve ai matematici greci che giravano dall’Asia Minore all’Europa meridionale l’osservazione delle proprietà di certe figure geometriche, come la parabola o la sfera, capaci di concentrare la luce in un ”fuoco”, e la stessa terminologia geometrica sta ad indicare che tale proprietà è stata riconosciuta proprio per il fatto che il calore solare si concentrava e la temperatura diventava così elevata da accendere appunto un fuoco. 

Plinio nella “Storia naturale” spiega che con un recipiente sferico pieno di acqua è possibile concentrare il calore solare in modo da accendere dei tessuti e parla di lenti di cristallo di rocca per accendere il fuoco. 

L’impiego militare del calore solare alla maniera attribuita ad Archimede deve avere sollecitato la fantasia di tanti perché se ne trovano tracce in moltissimi autori greci e bizantini fra cui Proclo, Antemio di Tralles, e altri. Ad Antemio di Tralles si attribuisce un trattato sugli specchi ustori, costruiti affiancando vari specchi piani secondo una struttura parabolica, proprio come si fa oggi nelle centrali solari a specchi. Una bella rassegna sugli specchi ustori si trova nel sito del Gruppo per la Storia dell’Energia Solare: http://www.gses.it/pub/specchi1.pdf 

Purtroppo l’attendibilità delle notizie circolate in questo periodo è limitata perché spesso i testi greci ci sono, pervenuti attraverso traduzioni arabe. E’ stato infatti l’avvento dell’Islam a partire dal VII secolo dopo Cristo a diffondere, rielaborare e controllare le notizie sull’uso dell’energia solare provenienti dal mondo greco. In pochi decenni il mondo islamico si è esteso dall’Asia al Nord Africa all’Europa; i molti centri commerciali ed economici si sono ben presto trasformati in centri di cultura in cui sono state tradotte molte opere del mondo ellenistico. Ne è nata una scuola e tradizione di matematici, astronomi e meccanici che scrivevano in arabo e che hanno continuato gli studi del matematici greci. 

 La cultura  scientifica greca è tornata in Occidente attraverso la presenza araba in Spagna e in Sicilia e attraverso le Crociate. Nell’XI e XII secolo dopo Cristo si trovavano nel Mediterraneo persone colte, cristiani, musulmani, ebrei, che conoscevano il greco, l’arabo e l’ebraico; la presenza in Occidente di regnanti curiosi delle conoscenze anche tecnico-scientifiche del mondo islamico ha spinto gli studiosi medievali alla traduzione e rielaborazione di tali conoscenze e si sono così aperte le porte al mondo moderno. 

Una delle figure più importanti fra i matematici e fisici arabi è quella di Ibn al.Haitham, noto colo nome latinizzato di Alhazen, nato a Bassora, nell’attuale Iraq meridionale, nel 965 e vissuto a lungo in Egitto dove si occupò di regolazione delle acque del Nilo. Caduto in disgrazia si ritirò nella propria abitazione e si dedicò alla traduzione in arabo di centinaia di opere greche, fra cui gli Elementi” di Euclide” e i “Trattati intermedi” e l’”Almagesto” di Tolomeo”.  Morì al Cairo nel 1039.                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Fondamentale è la “Ottica” nella quale Ibn al-Haitham riassume e rielabora le conoscenze precedenti ed espone alcuni fatti nuovi come il meccanismo della visione e della “camera oscura”. Dal punto di vista dell’energia solare Ibn al-Haitham chiarisce il meccanismo della rifrazione della luce (anticipando la misura del rapporti fra gli angoli del raggio incidente e del raggio rifratto che sarebbe stata riscoperta da Snell) e spiega perché una sfera di materiale trasparente esposta al Sole concentra la radiazione solare in un punto al di sotto della sfera. Il fenomeno è utilizzato nell’eliofanografo di Campbell (Figura xxxx), strumento usato per misurare il numero di ore di insolazione di una località. La radiazione solare che attraversa la sfera di vetro “brucia” parzialmente un foglio di carta posto nel fuoco della sfera e dall’esame della superficie della bruciatura si possono trarre informazioni sulla durata e dell’intensità della radiazione solare. 

Due opere minori di Ibn al Haitham, tradotte dal fisico tedesco Wiedemann, trattano gli specchi ustori sferici e parabolici. Ci doveva essere un grande interesse per questi problemi nel mondo islamico perché, quasi contemporaneo di Ibn al-Haitham, a Bagdad Ibn Sahl aveva scritto un libro spiegando anche lui il fenomeno della rifrazione della luce e trattando le lenti ustorie. 

Si può dire che con questi autori arabi erano ormai disponibili le informazioni per gettare le basi dell’utilizzazione “economica” dell’energia solare come fonte di calore ad alta temperatura. L’”Ottica” di Ibn al-Haitham fu tradotta in latino da un anonimo intorno al XII secolo e poi rielaborata dal polacco Witelo (latinizzato in Vitellone) nel XIV secolo. L’opera fu stampata a Basilea nel 1572. Nelle prime pagine dell’edizione di Basilea viene presentata una tavola ispirata alla leggenda di Archimede (Figura xxxx). L’”Ottica” di Ibn al-Haitham ha influenzato in Occidente Ruggero Bacone e molti altri tanto che dal XIII secolo in avanti si moltiplicano le notizie sugli specchi e sulle lenti ustorie. Il problema era soltanto quello di trovare materiali adatti per la costruzione di lenti abbastanza grandi e di specchi parabolici abbastanza lucidi per una buona riflessione dell’energia solare nel fuoco. Per alcuni secoli continuano comunque ad apparire più progetti e proposte che applicazioni pratiche. 

Un posto importante occupa a questo punto il napoletano Giovan Battista Della Porta (1535-1615) straordinario e modernissimo curioso, scrittore di scienze naturali, ma ancora influenzato da influssi “magici”, disposto a credere a dicerie che circolavano frablem persone colte del Cinquecento. La sua opera più nota è intitolata “Magiae naturalis sive de miraculis  rerum naturalium”, una collezione di idee e notizie di storia natritale, fisica, chimkicva, ricette per ottenere estratti di piante e notizie sulle lenti e sfere ustorie Nel capitolo X viene descritto un distillatore di acqua marina alimentato con l’energia solare; si tratta probabilmente della prima applicazione dell’energia solare alla soluzione di un problema pratico come l’ottenimento di acqua dolce dal mare. 

Con Della Porta si entra nel tempo moderno ma prima va ricordato che, apparentemente in maniera indipendente, anche nella lontana Cina qualcuno aveva scoperto che è possibile ottenere calore, del “fuoco”, con specchi esposti al Sole. Joseph Needham, nella sua monumentale opera “Science and civilization in China”, cita un trattato denominato Chou Li (Zhouli), scritto intorno al 300 avanti Cristo, in cui sono esposti i compiti dei numerosi funzionari di un molto precedente periodo Zhou. Fra questi un funzionario era addetto all’accensione del fuoco con specchi ustori. Lo stesso Needham cita che in un classico “trattato della guerra”, un colloquio fra l’imperatore T’ai Tsung (Taizong) e il suo generale Li Ching (Li Jing) vissuto all’inizio del 600 dopo Cristo, è detto che l’esercito deve disporre di specchi per accendere il fuoco col Sole anche durante lontane spedizioni.