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L’industria pesante, legata alla produzione di cemento e acciaio, richiede un’enorme quantità di energia, rendendo la decarbonizzazione un obiettivo complesso. Le fonti rinnovabili spesso incontrano limiti nel soddisfare queste esigenze energetiche, e si pensa che fonti come il nucleare o l’idrogeno verde possano avere maggior successo. Tuttavia, un gruppo di ricerca dell’ETH di Zurigo ha proposto una terza via: l’energia solare, non per produrre elettricità ma per generare calore ad altissime temperature.

Per permettere all’energia solare di sostituire la combustione di combustibili fossili, è necessario che essa produca temperature superiori ai mille gradi Celsius. I ricercatori dell’ETH di Zurigo, guidati da Emiliano Casati e Aldo Steinfeld, hanno sviluppato una “trappola termica” utilizzando un’asta di quarzo di 7,5 cm di diametro e 30 cm di lunghezza, con un assorbitore ceramico all’interno. La ceramica è stata scelta per le sue proprietà ottiche, che le permettono di assorbire la luce solare e convertirla in calore con perdite minime di calore radiativo.

Durante i test in laboratorio, la bacchetta è stata esposta a una fonte di luce artificiale con un’intensità equivalente a 135 volte quella della luce solare, raggiungendo temperature fino a 1050 gradi Celsius. Questo risultato è sorprendente, considerando che precedenti studi sulle “trappole” termiche avevano raggiunto una temperatura massima di 170 gradi.

Un’Industria Pesante Verde è Possibile

L’approccio del team svizzero ha preso ispirazione dai CSP (Concentrated Solar Power), parchi solari che sfruttano la luce e il calore del Sole per generare energia elettrica. Emiliano Casati, team leader della ricerca “Solar thermal trapping at 1,000°C and above”, pubblicata sulla rivista Cell, ha commentato: “Il nostro approccio migliora l’efficienza dell’assorbimento solare. Siamo fiduciosi che questa tecnologia possa supportare la realizzazione di impianti solari ad alta temperatura.”

Per combattere il cambiamento climatico è necessario decarbonizzare l’energia, e spesso si pensa unicamente all’elettricità. Tuttavia, metà dell’energia utilizzata è destinata al calore. Questa tecnologia emergente presenta sfide tecniche ed economiche da superare, ma la trappola termica dell’ETH potrebbe rendere possibile l’utilizzo dell’energia solare per generare elettricità e decarbonizzare industrie ad alta intensità energetica.

Innovazione Svizzera nel Trapping Termico Solare

I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno utilizzato il quarzo sintetico per intrappolare l’energia solare, raggiungendo temperature fino a 1050 °C. Lo studio dimostra il potenziale dell’energia solare nel fornire il calore estremo necessario per industrie ad alta intensità di carbonio. Emiliano Casati, autore corrispondente dello studio, ha sottolineato l’importanza di decarbonizzare la produzione di energia per contrastare il cambiamento climatico. Utilizzando materiali semi-trasparenti come il quarzo, il team ha migliorato l’efficienza dei ricevitori solari tradizionali sopra i 1000 °C.

Il dispositivo creato, combinando una barra di quarzo sintetico con un disco di silicio opaco, ha raggiunto temperature elevate quando esposto a luce solare concentrata equivalente a 136 soli. Un modello di trasferimento del calore ha simulato il trapping termico del quarzo in varie condizioni, con risultati promettenti: il ricevitore schermato da quarzo ha raggiunto un’efficienza del 70% a 1200 °C con una concentrazione di 500 soli, rispetto al 40% di un ricevitore non protetto.

Casati ha evidenziato che ricerche precedenti avevano dimostrato l’effetto trapping termico fino a 170 °C, mentre il loro studio ha mostrato che funziona al di sopra dei 1000 °C, essenziale per dimostrare il potenziale per applicazioni industriali reali. Il team sta ottimizzando l’effetto trapping termico e esplorando nuove applicazioni, testando materiali diversi e fluidi gassosi per raggiungere temperature ancora più elevate.

Prospettive Future e Applicazioni Industriali

Il mondo moderno utilizza materiali come l’acciaio, il vetro e il cemento in quantità eccessive, e la produzione di questi componenti necessita di temperature superiori ai 1000 °C. Queste industrie rappresentano un quarto del consumo energetico umano e l’energia estratta esclusivamente da combustibili fossili comporta grandi emissioni di carbonio. L’esperimento del team di Zurigo potrebbe aprire una nuova strada per queste industrie energivore.

I precedenti tentativi di utilizzare l’energia solare per applicazioni di riscaldamento utilizzavano ricevitori solari che sfruttavano migliaia di specchi ad inseguimento solare per concentrare la luce solare. Tuttavia, temperature superiori ai 1000 gradi Celsius erano difficili da raggiungere su scala industriale. Casati e il suo team stanno cercando di migliorare l’efficienza del ricevitore utilizzando materiali semitrasparenti come il quarzo, che sono più trasparenti alla luce solare ma causano un effetto trappola termica che non lascia sfuggire il calore intrappolato.

I ricercatori hanno creato un dispositivo di intrappolamento termico attaccando un’asta di quarzo sintetico a un disco di silicio opaco. Negli esperimenti, simulando la luce di 136 soli, la piastra assorbente ha raggiunto temperature di 1922 gradi Fahrenheit (1050 gradi Celsius), mentre l’asta di quarzo è rimasta a 1112 gradi Fahrenheit (600 gradi Celsius). Esplorare applicazioni nel mondo reale è fondamentale per dimostrare il potenziale per applicazioni industriali.

Bullet Executive Summary

In conclusione, la ricerca dell’ETH di Zurigo rappresenta un passo significativo verso la decarbonizzazione dell’industria pesante. Utilizzando il quarzo sintetico per intrappolare l’energia solare e raggiungere temperature superiori ai 1000 gradi Celsius, si apre una nuova strada per l’utilizzo dell’energia solare in applicazioni industriali ad alta intensità di carbonio. Questa innovazione potrebbe ridurre significativamente l’uso di combustibili fossili e le emissioni di carbonio, contribuendo alla lotta contro il cambiamento climatico.

Una nozione base di tecnologia correlata al tema principale dell’articolo è il concetto di trapping termico, che sfrutta materiali semi-trasparenti per intrappolare il calore generato dalla luce solare, migliorando l’efficienza dei ricevitori solari. Una nozione di tecnologia avanzata applicabile al tema è l’uso di modelli di trasferimento del calore per simulare e ottimizzare l’efficienza di dispositivi di intrappolamento termico in diverse condizioni, permettendo di raggiungere temperature elevate necessarie per applicazioni industriali.

Questa ricerca non solo dimostra il potenziale dell’energia solare come fonte di calore per l’industria pesante, ma stimola anche una riflessione personale su come le innovazioni tecnologiche possano contribuire a un futuro più sostenibile.