Le piante: una fonte pulita di energia elettrica

La ricerca di fonti di energia pulita è una delle grandi scommesse del nostro tempo. Le conseguenze dell’uso dei combustibili fossili, prima fra tutte il cambiamento climatico, ci impongono di intraprendere strade diverse e spesso inimmaginabili fino a pochi anni fa. E come sempre quando siamo a corto di idee, ecco che la natura, con i suoi straordinari ed ingegnosi meccanismi, giunge in nostro soccorso.

Una tipica foglia, la sede della fotosintesi (By Jon Sullivan – PdPhoto, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18858)

La più importante fonte di energia del nostro pianeta è il Sole, ma tra gli esseri viventi c’è chi ha imparato ad utilizzarlo molto meglio di noi. Le piante sono veri e propri campioni nella trasformazione dell’energia solare, il “motore” di un processo chiamato fotosintesi clorofilliana che converte l’anidride carbonica e l’acqua in zuccheri ed ossigeno. L’efficienza di questa trasformazione, dopo milioni di anni di evoluzione, si avvicina al 100%, mentre i nostri pannelli solari, per fare un paragone, operano con un’efficienza compresa tra il 12% e il 17%: in altri termini, la pianta trasforma quasi tutta la radiazione solare che assorbe in energia chimica, noi con le nostre tecnologie riusciamo ad utilizzarne solo una minima frazione.

Diversi gruppi di ricerca stanno studiando una strategia per ottenere elettricità dai vegetali. La corrente elettrica viene comunemente definita come un moto ordinato di cariche elettriche. Se vi state chiedendo perché cercarla proprio in una pianta, la risposta è semplice: perché è già lì! Durante le reazioni della fotosintesi le molecole d’acqua vengono “spezzate” liberando elettroni, ossia cariche negative. Questi ultimi sono trasferiti lungo una catena di trasportatori proteici e temporaneamente immagazzinati nella molecola NADP, così da essere utilizzati in una seconda fase alla sintesi del glucosio.

Schema della fotosintesi, detto “schema a Z” (By w:User:Bensaccount – http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Z-scheme.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3461098
Cloroplasti al microscopio (By Kristian Peters — Fabelfroh – Self-photographed, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1350193)

Ciò che un team di ricercatori della University of Georgia è riuscito a fare è stato interrompere la fotosintesi e catturare questi preziosi elettroni, prima che la pianta potesse utilizzarli per generare gli zuccheri. Per raggiungere lo scopo sono stati isolati i tilacoidi, sistemi di membrane appiattite e disposte in pile all’interno degli organuli responsabili della cattura della luce e della fotosintesi, che si chiamano cloroplasti. E’ proprio qui, tra le membrane tilacoidali, che si svolge il trasporto degli elettroni, grazie ad una sequenza di proteine che sono state  opportunamente manipolate per bloccare il flusso e deviarlo in strutture cilindriche 50000 volte più fini di un capello umano, i nanotubi di carbonio. Queste meraviglie della nanotecnologia funzionano come “trappole” di elettroni e li veicolano lungo i cavi elettrici.

Il sistema è ancora nelle sue fasi embrionali e l’elettricità prodotta molto modesta, ma ci sono margini di perfezionamento e l’ottimismo è tanto. Il concetto è di per sé così allettante che è stata fondata nel 2009, in Olanda, un’azienda che usa le piante per produrre energia elettrica, con un procedimento simile ma diverso. E’ stato messo a punto in questo caso un sistema per “catturare” gli elettroni prodotti dai microrganismi che consumano le sostanze di scarto della fotosintesi espulse dalle radici e liberate nel terreno, una metodologia che peraltro non danneggia o influenza in nessun modo la vita della pianta stessa. Il prossimo traguardo sarà portare questi e simili sistemi di produzione su larga scala, tale da soddisfare il fabbisogno energetico annuale medio delle famiglie o raggiungere le aree più povere del mondo.

Di Erika Salvatori

Riferimenti:

OGM o non OGM: questo è il problema!

Un pubblico non specializzato alla domanda “cos’è un OGM?” probabilmente risponderebbe che è un organismo che ha subìto una manipolazione genetica, che è stato “geneticamente modificato”. La risposta è corretta, ma solo parzialmente e pecca di imprecisione: non tutti gli organismi geneticamente modificati sono OGM!

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Esoscheletri: quanto siamo vicini all’armatura di Ironman?

L’esoscheletro, detto anche “wearable robot”, non è altro che un sostegno elettromeccanico esterno, mosso e guidato a partire dalla forza propria dell’individuo. Questo sistema è tuttavia in grado di fornire forza e resistenza sovraumane all’indossatore, assistendolo in tutti i movimenti tramite vari sistemi di trasmissione.

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Volare o cadere? Questo e’ il dilemma

Se chiedessimo a Galileo Galilei cosa succederebbe se lasciassimo cadere una mela ed una foglia da un albero, lui ci direbbe che – in teoria – le due cadrebbero allo stesso modo, toccando il suolo contemporaneamente. Questo perche’ l’accelerazione di gravita’ non dipende dal peso del corpo che cade, ma soltanto dalla sua altezza.
Tuttavia quello che osserviamo e’ molto diverso: la foglia scendera’ lentamente, cullata dall’aria, mentre la mela cadra’ in un istante. Dovremmo per questo dire al buon Galileo che aveva del tutto torto? La risposta e’ ovviamente no.

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Fisica dello sport

Tutti noi facciamo sport fin da quando siamo piccoli, ma non tutti conoscono le leggi fisiche che ne stanno alla base. Perché è più difficile stare in equilibrio su un piede solo piuttosto che con due? Perché è più facile fare dei pesi con il braccio attaccato al corpo piuttosto che staccato? Come facciamo, negli sport da combattimento, a tirare colpi potenti pur senza usare armi?

Per rispondere a queste e altre domande è bene fare un breve viaggio attraverso le leggi della fisica: leggi di newton, legge di scala, la statica, le forze e altro ancora.

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Alchimie Moderne: l’E-cat di Andrea Rossi

Per la scienza moderna, la realizzazione della fusione fredda sarebbe l’equivalente della pietra filosofale per gli antichi alchimisti, ovvero lo strumento grazie al quale essi sostenevano di riuscire a trasformare i metalli poveri in oro e argento. Ai giorni nostri, la vera sfida è fondere due atomi ed ottenerne uno più grande, realizzando così la fusione nucleare.

Andrea Rossi, inventore dell’Energy Catalyzer (E-cat) sostiene di esserci riuscito e promette, grazie al suo dispositivo, di spazzare via in un sol colpo tutti i problemi energetici dell’umanità.

Illustrazione raffigurante un Alchimista a lavoro.
Illustrazione raffigurante un Alchimista a lavoro.

L’E-cat sarebbe in grado di trasformare Idrogeno e Nichel in Rame, producendo molta più energia termica di quella usata durante l’intero processo di fusione. In sostanza l’E-cat sarebbe una fonte di energia infinitamente “rinnovabile”. Secondo alcuni sarebbe soltanto l’ennesima bufala, ma secondo (pochi) altri questa rappresenterebbe la scoperta più importante della storia.

Per comprendere meglio come funziona questo dispositivo, dobbiamo fare qualche passo indietro. Ciò che distingue un elemento chimico da un altro è il numero di protoni all’interno del suo nucleo ovvero il numero atomico. L’idrogeno ha numero atomico 1, il Nichel 28, mentre il Rame ha numero atomico 29. Durante una reazione di fusione nucleare due atomi di un certo elemento si avvicinano fino a fondersi insieme. Nell’E-cat, l’unico protone del nucleo dell’ Idrogeno si unisce a quello del Nichel generando così un atomo di una specie diversa, il Rame.

Questo processo avviene di continuo nelle stelle in cui gli atomi di idrogeno si fondono per formare atomi di elio (numero atomico 2). Le altissime temperature al loro interno, 8 milioni di gradi Kelvin, forniscono l’energia necessaria al processo di fusione.

I protoni sono tutti carichi positivamente e quanto più si avvicinano a vicenda tanto più si respingono, esattamente come può succedere tra due calamite. Per produrre un nuovo elemento chimico è necessario quindi vincere la reciproca repulsione elettromagnetica dei protoni all’interno dei nuclei atomici. Solo quando la distanza diventa molto piccola e grazie alla presenza neutroni (che non hanno carica elettrica) e alle interazioni nucleari forti, le particelle finiscono per attrarsi a vicenda e fondersi in un solo nucleo.

Schema della struttura di un atomo. La figura mostra il nucleo con i protoni (+) ed i neutroni (O), circondati dagli elettroni (-).
Schema della struttura di un atomo. La figura mostra il nucleo con i protoni (+) ed i neutroni (O), circondati dagli elettroni (-).

Il termine “fusione fredda” si riferisce allo stesso processo ottenuto però a temperature e pressioni decisamente inferiori, come quelle ottenibili in un laboratorio terrestre.

La stessa possibilità teorica di ottenere le condizioni per reazioni di questo tipo in laboratorio è controversa: occorre avvicinare i nuclei atomici ad una distanza tale da vincerne la repulsione e, come nelle stelle, anche sulla Terra un tale processo richiede enormi quantità di energia. I sostenitori della fusione fredda ritengono possibile ovviare a questi problemi utilizzando un qualche catalizzatore che, intervenendo nella reazione, ne aumenterebbe la velocità e diminuirebbe l’energia necessaria alla sua attivazione.

Il dott. Rossi sostiene che il suo dispositivo riesca nell’impresa producendo Rame partendo da polvere di Nichel combinata con Idrogeno gassoso a basse pressioni. Il tutto sarebbe alimentato da normalissima corrente elettrica e in presenza di un mix segreto di catalizzatori.

Due esperimenti, nel Dicembre 2012 e nel Marzo 2013, a detta dell’inventore, sembrerebbero confermare il funzionamento dell’E-cat. Questo però è ancora tutto da verificare: i due esperimenti sono stati condotti in condizioni differenti e non possono quindi considerarsi come riprove. In entrambe le circostanze sarebbe stata misurata una quantità di calore in uscita molto superiore a quello in entrata. Questo vorrebbe dire che viene prodotta più energia di quella che viene fornita all’E-cat, un fenomeno del tutto inspiegabile.

Manca inoltre una spiegazione scientifica del fenomeno. Il dubbio principale rimane come l’E-cat riesca a svolgere un processo che non avviene in natura: persino nelle stelle, Idrogeno e Nichel non si combinano per produrre Rame. Quello che si è osservato nelle stelle invece è esattamente l’opposto: il decadimento del Rame in Nichel. La fusione di elementi per creare nuclei più grandi di quello del Nichel a livello teorico non può avvenire: si tratta di una reazione endoergonica, cioè assorbe energia dall’esterno invece che rilasciarla, come se accendessimo un fuoco per raffreddare l’ambiente.

Un’ulteriore fatto degno di nota è che il fenomeno della fusione nucleare è ampiamente studiato in diversi laboratori di fisica

Per avere un’idea di quanto la fusione sia un processo complicato da ottenere in laboratorio basta pensare al National Ignition Facility (NIF), il quale solo quest’anno è riuscito per la prima volta al mondo ad ottenere la fusione nucleare. Questo è stato possibile usando un macchinario che consiste in 192 fasci laser (per un totale di 500 trilioni di Watt di potenza) puntati verso un campione d’oro. I raggi X emessi dall’oro hanno reso possibile la compressione di un guscio (del diametro di qualche millimetro) contenente idrogeno. Il gas contenuto nel guscio è stato compresso fino ad avere il diametro pari a quello di un capello e solo a quel punto è stata osservata la fusione nucleare.

La capsula utilizzata dal NIF per il loro esperimento sulla fusione nucleare. L’apparato che lo circonda serve a mantenere temperature criogeniche (18K, ovvero -255°C).

Questa è stata una delle scoperte più sensazionali degli ultimi mesi ed è considerato dalla comunità scientifica il primo vero grande passo verso la fusione nucleare.

Riguardo all’E-cat vi sono troppe domande senza risposta, come la natura del misterioso catalizzatore e l’assenza di radioattività prevista dopo una reazione di fusione. Mancano inoltre dati sul Rame prodotto, sul combustibile utilizzato, non ci sono risultati di test indipendenti e manca del tutto una peer-review dell’ambiente scientifico internazionale. Nel frattempo, nonostante tutte queste considerazioni, l’imprenditore Rossi promette la commercializzazione del dispositivo.

Rosaria Marraffino

Chi non risica non rosica. O forse no?

Quanti di noi conoscono la differenza fra rischio e pericolo? Spesso i due termini sono usati come sinonimi, ma non hanno lo stesso significato. Il pericolo è “intrinseco” ad un certo fattore (evento, oggetto, comportamento) che ha la proprietà di arrecare un danno, dove per danno si intende qualsiasi conseguenza negativa che ne derivi. In inglese “risk” può assumere sia un significato positivo che negativo, mentre in italiano ha per lo più una connotazione negativa. Esso è legato alla probabilità che un certo “fattore” pericoloso si manifesti. L’enciclopedia Treccani ne dà questa definizione: “eventualità di subire un danno connessa a circostanze più o meno prevedibili (è quindi più tenue e meno certo che pericolo)”. Una definizione più scientifica è quella per cui il rischio è descritto come il prodotto: Frequenza del Pericolo x Magnitudo. Con pericolo si intende la pericolosità dell’evento, ovvero la frequenza prevista per esso in un dato spazio e in un dato tempo. La magnitudo è l’ampiezza delle conseguenze di questo evento pericoloso, espresso in funzione di quanti soggetti sono coinvolti e del livello di danno che essi ne subiscono.

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Lensing Gravitazionale

Teoria della Relatività Generale, Deformazione dello spazio tempo, Lensing sono termini indigesti per buona parte delle persone che ne conoscono il significato, ma sconosciuti o quasi per la maggior parte.

Riuscire a crearsi un’immagine mentale di cosa sia lo spazio-tempo, senza tirare in ballo la teoria formale implica di per sé uno sforzo mentale notevole.
Inoltre se si prendono in considerazione le deformazioni si complicano ulteriormente le cose.

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“Cose strane avvengono sul Sole” – Le macchie solari.

No, non c’è niente che non vada con il Sole.

Recentemente mi hanno portato all’attenzione di questo articolo, scritto dall’Internazionale, il quale titola “C’è qualcosa che non va con il sole”. Tale articolo è una versione italiana di un articolo del Wall Street Journal titolato “Strange doing on the Sun” – tradotto letteralmente “Cose strane avvengono sul Sole”

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Perché il cielo è azzurro?

Il segreto sta nelle dimensioni delle molecole che compongono l’aria. Ma procediamo con ordine.

La luce bianca che ci arriva dal sole, come tutti sanno, è in realtà composta da diversi colori: nello specifico essa è costituita da radiazione elettromagnetica (onde), e i diversi colori corrispondono alle diverse lunghezze d’onda λ della radiazione elettromagnetica, cioè alla distanza tra due creste successive dell’onda [λ è una lettera greca che si pronuncia “lambda” – ndr]. Radiazioni di colore rosso hanno una λ attorno ai 700 nm, mentre radiazioni di colore blu-violetto hanno una λ di circa 400 nm (1 nm = 1 miliardesimo di metro), e tutte le radiazioni di lunghezza d’onda intermedia hanno colori che variano tra il rosso ed il violetto passando per l’arancione, il giallo, il verde e il blu.

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