L

a vita di una società industriale è so-stenuta da flussi continui di ma-teriali e di energia. Invero, i due

flussi sono inseparabili: senza consumo dienergia le materie prime non potrebberoessere lavorate, ma senza i materiali adattisarebbe difficile attingere alle fonti di ener-gia. Ogni aspetto dell'utilizzazione dell'e-nergia - estrazione, lavorazione e raffina-zione, conversione da una forma all'altra,distribuzione e consumo efficiente - dipen-de oggi da materiali avanzati che sono sta-ti appositamente ideati, per esempio, percatalizzare una reazione chimica, per as-sorbire la luce solare, per condurre l'elet-tricità oppure per resistere alla corrosionee al calore.

Le innovazioni nel campo dei materialiche servono per l'utilizzazione dell'energiasi riflettono quindi sul tenore di vita di unasocietà, dato che questo dipende in note-vole misura dal consumo dell'energia stes-sa. La dipendenza risulta evidentissima sesi mettono a confronto paesi che abbianotassi diversi di consumo energetico e si ri-porta in un grafico il prodotto interno lor-do (P1L) di ciascun paese in funzione delconsumo di energia pro capite. Risulta al-lora chiaro che un tenore di vita più eleva-to è strettamente legato a un consumo

maggiore di energia. La storia degli StatiUniti conferma questa correlazione: se sieccettuano gli anni trenta, il periodo dellagrande depressione, dal 1900 in poi l'au-mento del consumo di energia ha superatodi gran lunga la crescita demografica. Nelfrattempo il rendimento della produzionedi energia è notevolmente migliorato: nel1899 il rendimento medio della produzio-ne di elettricità era del 4 o 5 per cento, nel1984 era del 33 per cento. Mentre dall'i-nizio del secolo il consumo pro capite dellefonti primarie di energia (come il petroliogreggio) si è più che triplicato, il consumopro capite di energia all'utente (come l'e-lettricità) si è più che decuplicato.

Con l'energia, inoltre, si fanno oggi piùcose di un tempo. Negli Stati Uniti il rap-porto fra prodotto interno lordo (in dollaria valore costante) e consumo di energia èrimasto più o meno invariato durante laprima metà del secolo, ma successivamen-te esso è andato aumentando: rispetto al1970 viene ora generato circa un terzo inpiù di prodotto interno lordo per ogni unitàdi consumo di energia. Le cause di questatendenza sono parecchie. Alcune tecnolo-gie emergenti di elevato livello, come quel-le dei calcolatori e delle telecomunicazioni,tendono a richiedere una scarsa quantità

di energia. Anche il settore dei servizi, chesta diventando sempre più importante nel-l'economia, è a basso impiego di energiarispetto al settore industriale e a quello deitrasporti. Un'altra causa è certamente ilfatto che i materiali nuovi facilitano la con-servazione dell'energia e la sua utilizzazio-ne efficiente.

perché i materiali sono diventati così im-i portanti per l'utilizzazione delle risor-se energetiche? Vengono in mente due ri-sposte tra loro collegate. La prima è chel'energia viene sfruttata in modi semprepiù complessi. Nel passato, per esempio, ilcarbone veniva estratto e bruciato diretta-mente per produrre calore. Ancora oggi ilgas naturale viene bruciato dopo averlosottoposto solo a qualche trattamento discarsa importanza. Il petrolio, viceversa,richiede un cospicuo processo di raffina-zione prima di poter essere consumato el'elettricità è il risultato di una trasforma-zione di grande scala delle risorse energe-tiche. Senza dubbio questa tendenza con-tinuerà anche per le tecnologie energetichedel futuro. In effetti è probabile che, fratutte le nuove tecnologie possibili, soltantonel riscaldamento solare delle abitazioni edell'acqua si impiegherà direttamente l'e-nergia immessa. Tutte le altre forme d'usodell'energia richiederanno qualche parti-colare tipo di trattamento o di trasforma-zione, come la liquefazione del carbone ola generazione di elettricità. In queste tra-sformazioni i materiali hanno una parte diprimissimo piano.

Nell'evoluzione di un programma per losfruttamento di una fonte energetica solooccasionalmente le esigenze relative ai ma-teriali vengono soddisfatte mediante lapreparazione di un materiale nuovo: piùspesso queste esigenze vengono soddisfat-te modificando o perfezionando un mate-riale esistente. Le proprietà di un materialerispecchiano i passaggi, o processi, neces-sari per trasformare il materiale di base nel

L'impegno profuso nella ricerca di materiali che consentano di migliorare il trattamento dell'ener-gia è simbolizzato da questo esperimento, realizzato presso i Sandia National Laboratories diLivermore, in California, nell'ambito di un progetto che mira a risolvere almeno in parte un graveproblema al quale si deve far fronte nelle centrali elettriche: l'incrostazione delle tubazioni dellecaldaie e la formazione di scorie. Di solito, in una centrale elettrica i gas a temperatura elevataprodotti dalla combustione, per esempio del carbone, riscaldano l'acqua che fluisce nelle tubazionitrasformandola in vapore che alimenta le turbine che generano elettricità. I prodotti della combu-stione che si depositano sulle tubazioni riducono la quantità di calore che viene trasferita all'acqua.Nell'immagine della pagina a fronte, particelle di pirite (bisolfuro di ferro), un importante fonte dizolfo presente nel carbone, vengono «seminate» in una fiamma di metano, che riscalda una tuba-zione in lega di platino-rodio. Il fascio di un laser a ioni di argo è diffuso dai prodotti dellacombustione che si depositano sulla tubazione; nel fascio diffuso parte della radiazione ha subitouno spostamento di lunghezza d'onda a causa dei moti (specialmente vibrazioni) delle molecoleche il fascio ha incontrato. Il fascio fornisce cosi un'analisi continua dei depositi che si accumulano.Questi dati dovrebbero agevolare la produzione di leghe migliori per gli impianti a vapore.

I materialiper l'utilizzazione dell'energia

Per aumentare il rendimento con cui l'energia viene prodotta, convertitada una forma a un'altra, distribuita e in vario modo consumata ènecessario ricorrere in ogni fase a materiali dotati di proprietà particolari

di Richard S. Claassen e Louis A. Girifalco

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STATI• UNITI

BELGIO

• PAESI BASSI

SPAGNA• •T'<REGNO UNITO

ALIA

\FRANCIA \\GERMANIA

DANIMARCAAUSTRIA

GIAPPONE,.

URUGUAY •

BRASILE \SIRIA

COLOMBIAMALAYSIA •

• IRLANDA

MESSICO

• COREA

THAILANDIA

FILIPPINE —4111

SRI LANKA •• PAKISTAN

• KENYA• INDIA

MALAWI•

• GIAMAICA

• ZAMBIA

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I I i 1111!

100

100 1 000 10 000CONSUMO DI ENERGIA PRO CAPITE (CHILOGRAMMI DI CARBONE EQUIVALENTI)

Dal confronto, condotto in 28 paesi, tra consumo dell'energia (asse delle ascisse) e potere diacquisto (asse delle ordinate) emerge una stretta correlazione tra uso dell'energia e tenore di vita.I dati sono relativi all'anno 1979; il calcolo del potere di acquisto è stato effettuato da Irving B.Kravis, Alan Heston e Robert Summers, tutti dell'Università della Pennsylvania. Questi ricercatorisi sono basati su stime del costo reale (espresso in moneta locale) di un lungo elenco di beni e diservizi. Sebbene l'economia degli Stati Uniti presenti valori massimi di consumo di energia e dipotere di acquisto, essa risulta allineata con le economie degli altri paesi (curva in colore).

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MATERIALIELETTRICI

MATERIALICERAMICI

POLIMERIAVANZATI

MATERIALICOMPOSITI

METALLIAVANZATI

ESTRAZIONE ELETTRONICA PERALTE TEMPERATURE

PUNTE DUREPER TRIVELLE

CONTENITORI EDISPOSITIVI DI TENUTA

ETALLI RESISTENTICORROSIONE

RAFFINAZIONE TALIZZATORI ETALLI RESISTENTICORROSIONE

RAFFINAZIONEE COMBUSTIONE

DEL CARBONE

. TALIZZATORI:TERIALI

ISTENTIROSIONE

ir.RIALI

EROSIONEEROSIONE

ENERGIANUCLEARE

ELETTRONICARESISTENTEA RADIAZIONI

IMMOBILIZZATORIDELLE SCORIERADIOATTIVE;ISOLATORI DI PLASM I

NTENITORI PERA.,ORIE RADIOATTIVECHE PER ALTEMPERATURESISTENTI A RADIAZION I

PRODUZIONEE TRASMISSIONE

DI ELETTRICITÀSUPERCONDUTTORI PARTI

DI TURBINE ISOLANTI

LETTE PER TURBINE iPARTI PER IL CON-TROLLO DEL VAPORE

ENERGIASOLARE

'CELLE FOTOVOLTAICHEDI BASSO COSTO ,-•

A

ASSORBITORISELETTIVI DI LUCE

CAPSULE PERCELLE SOLARI

COMBUSTIONEDELLE SCORIE

3ffitegi•ETALLI RESISTENTI

-CORROSIONE

ENERGIAGEOTERMICA

ELETTRONICA PERALTE TEMPERATURE

ETALLI RESISTENTI' CORROSIONE

CONSERVAZIONEDELL'ENERGIA

MAGNETI EFFICIENTIPARTI PERIL TRASFERIMENTODEL CALORE

PARTIPER VEICOLILEGGERI

PARTIPER VEICOLILEGGERI

GHE PERT TEMPERATURESISTEMI DI CONTROLLO

DELL'ENERGIA RICICLAGG l

Sistemi energetici diversi (colonna a sinistra) hanno esigenze diverseriguardo ai vari tipi di materiali avanzati (riga in alto). Tali esigenze sonodettate dalle differenti condizioni - sollecitazioni meccaniche, temperatu-ra, pressione e ambiente chimico - in cui i sistemi energetici devonofunzionare. La strumentazione per l'estrazione mineraria o per lo sfrut-tamento dell'energia geotermica dovrà resistere alle alte temperature che

si incontrano nella crosta terrestre; i materiali da usare per confinare ilplasma, cioè un gas ionizzato, in un reattore a fusione nucleare dovrannoresistere a temperature elevate e a una radiazione intensa. La tabellafornisce altri esempi. L'intensità di colore suggerisce l'intensità dello sfor-zo oggi profuso per ottenere ciascuno dei materiali di cui si sente l'esi-genza: il colore più intenso corrisponde a un maggior impegno di ricerca.

prodotto finito. L'acciaio, per esempio,può essere fucinato (deformato meccani-camente a partire da un lingotto) o colato(solidificato in uno stampo). Le proprietàe le prestazioni risultanti sono molto diver-se: l'acciaio fucinato ha una resistenzamaggiore, mentre l'acciaio colato ha uncosto inferiore. Una notevole parte del-l'impegno profuso nella ricerca di materia-li utili per il recupero e l'uso dell'energia èstata quindi assorbita dall'ideazione diprocessi in grado di fornire materiali cheoffrono prestazioni più adatte alle esigenzedel progetto.

La seconda ragione per cui, in un pro-gramma per lo sfruttamento di una fonteenergetica, i materiali sono importanti èche sia la preparazione di materiali nuovi,sia il miglioramento di quelli esistenti haun effetto diretto sul costo dell'energia.Questo effetto deve essere valutato atten-tamente. Da un lato, l'energia è un grandeaffare. Nel 1982 gli Stati Uniti produsserocombustibili fossili per un valore di 158miliardi di dollari e ne importarono per 53miliardi di dollari, mentre i consumatorispesero per l'energia un totale di 418 mi-liardi di dollari. D'altra parte 418 miliardidi dollari sono una piccola frazione del PILdegli Stati Uniti: in altre parole, il costodell'energia è stato basso. Per tutta la pri-ma metà di questo secolo il costo dei com-bustibili minerali (carbone, petrolio, gasnaturale e gas naturale liquefatto) non hasuperato il 4 per cento del PR, scendendoa volte fino al 2 per cento.

L'energia a basso costo è essenziale perla crescita economica. Negli anni settantala crisi del petrolio provocata dall'OPEC,l'Organizzazione dei paesi esportatori dipetrolio, fece quasi quadruplicare il costodei combustibili (in percentuale del m),cosicché il costo relativo dell'energia di-venne il più elevato nella storia degli StatiUniti. Dal 1973 al 1975 il PIL pro capitediminuì; nel 1974, esso fu dell'8 per centoinferiore a quello del 1973 e fino al 1977non tornò al livello del 1973. Di recente ilcosto dell'energia (sempre in percentualedel Pn..) è andato di nuovo diminuendo per-ché l'economia ha intensificato il proprioimpegno nella produzione di energia e staimparando a usare l'energia in modo piùefficiente. Questi progressi sono stati acce-lerati dai miglioramenti che sono stati ap-portati ai materiali.

I e celle fotovoltaiche solari forniscono1--/ un eccellente esempio di come succes-sive innovazioni applicate a materiali esi-stenti possano abbassare il costo dell'ener-gia. Le celle, che producono elettricità di-rettamente dalla luce solare, sono utilizza-te con successo sui veicoli spaziali fin dal1974. Per quanto riguarda il loro impiegoa terra vi sono validi motivi di interesse;infatti esse non inquinano l'ambiente e nonesauriscono risorse finite di energia. Soloil loro costo ha impedito che contribuisse-ro finora in misura cospicua all'offertacomplessiva di elettricità.

Per confrontare il costo delle celle solari

con quello di altri sistemi per generare elet-tricità si può ricorrere a una misura eco-nomica normalizzata: l'investimento perunità di capacità, espresso in dollari perchilowatt di potenza installata. Nel 1975gli impianti a carbone, che generano elet-tricità producendo vapore che alimenta leturbine, erano valutati a circa 230 dollariper chilowatt e gli impianti nucleari intor-no ai 500 dollari per chilowatt. Le instal-lazioni fotovoltaiche, la cui produzione dienergia dipende dall'intensità continua-mente variabile della radiazione solare, so-no di solito valutate in termini di dollariper chilowatt con riferimento alla capacitàmassima di generazione. (La produzionemedia annua di un impianto a celle foto-voltaiche situato nelle aree desertiche degliStati Uniti sudoccidentali è circa un quintodel valore di punta.) Nel 1975 il costo diuna schiera piana di celle fotovoltaiche(che è la struttura più semplice) era stima-to a 75 000 dollari per chilowatt di capa-cità massima, ossia circa 300 volte il costodi un impianto a carbone. Dal momentoche la schiera di celle non richiede combu-stibile, il confronto è incompleto; tuttavia,illustra quanto poco economiche fossero lecelle fotovoltaiche.

Le celle erano così costose soprattuttoa causa dei materiali. Le prime celle foto-voltaiche venivano fabbricate a partire dagrandi monocristalli di silicio di purezzaeccezionale, fatti crescere mediante il pro-cesso Czochralski, una tecnica in cui unpiccolo germe di cristallizzazione vieneestratto lentamente da un serbatoio di sili-cio liquido di elevata purezza; depositan-dosi sul cristallo, il silicio lo fa lentamentecrescere. Se ne ricava una boule monocri-stallina (un termine generico con cui si in-dica un cristallo ottenuto sinteticamente edotato di una struttura cristallina ordina-ta) che viene poi tagliata in fette sottili, dicirca un millimetro di spessore.

Le fette vengono «drogate» ponendolein un forno in modo che gli atomi di dro-gante (impurezze controllate, essenzialiper il funzionamento della cella) possanodiffondersi nelle fette e raggiungere certeposizioni nel reticolo del cristallo. Infine,le fette così drogate vengono metallizzate(cioè corredate di un conduttore metallicoper estrarre la corrente prodotta) e in-capsulate (per proteggerle dall'ambiente).Una sequenza simile di passaggi è adattaanche alla fabbricazione economica deicircuiti integrati: una fetta di IO centimetridi diametro è sufficiente per centinaia dichip di semiconduttore, ciascuno dei qualiporta un'intricata configurazione di circui-ti. Purtroppo, nelle applicazioni fotovol-taiche dalla fetta si ricava una sola cellasolare, la cui produzione massima è di cir-ca un watt.

Ifuturo offre maggiori speranze; alcune

A innovazioni nella lavorazione dei mate-riali per le celle fotovoltaiche hanno giàridotto il loro costo. Il silicio di purezzacomune (al 99 per cento circa), per diven-tare adatto all'impiego fotovoltaico, puòoggi essere purificato ulteriormente me-

diante il processo Siemens, una tecnica incui il silicio viene incorporato chimica-mente nel triclorosilano (SiHC1 3 ) e poi tra-sformato di nuovo in silicio libero da im-purezze. Con un'altra tecnica (messa apunto dall'Union Carbide Corporation) sitrasforma il silicio in silano (SiF14) e poi siriduce questo di nuovo in silicio. Entrambii processi fanno sperare in una riduzionedel 50 per cento del costo dei materiali perle celle fotovoltaiche. Intanto la KayexCorporation sta perfezionando i vari stadidel processo Czochralski in modo da pro-durre monocristalli di sezione maggiore aun minor costo unitario.

L'innovazione che probabilmente avràgli effetti maggiori sul costo dei materialiper le celle fotovoltaiche è la crescita dicristalli di silicio direttamente in lamine, ilcui impiego nella fabbricazione delle celleè quasi immediato. Due tecniche sono pro-mettenti, per quanto alcuni problemi deb-bano ancora essere risolti. Nella crescita abordi definiti alimentata da pellicola, unmonocristallo estratto da un pozzetto disilicio fuso viene fatto passare in una ma-trice di grafite in modo che si ottenga un'u-nica lamina continua. Purtroppo il silicioreagisce con la grafite e si formano preci-pitati di carburo di silicio. Nel tentativo dieliminare queste impurezze è stata ideatauna seconda tecnica, il processo a tessitu-

ra dendritica. In questo caso nastri di sili-cio, chiamati dendriti, vengono fatti cre-scere in silicio fuso a temperature rigoro-samente controllate. Essi possono poi es-sere estratti dal silicio fuso senza il ricorsoa matrici. Il problema in questo caso è lalenta velocità di crescita dei nastri. Unapiù approfondita conoscenza delle pro-prietà dei materiali, come per esempio loscorrimento viscoso, o la lenta deforma-zione plastica del silicio in prossimità dellatemperatura di fusione, fornirà la base del-le conoscenze necessarie a fare aumentarela velocità di produzione.

La preparazione del silicio, ovviamente,rappresenta solo una voce del costo com-plessivo delle celle fotovoltaiche. Queste,infatti, devono essere anche drogate, me-tallizzate, interconnesse e incapsulate. Iprogressi compiuti in questi settori tecno-logici derivano da vari sviluppi nel campodei materiali e in quello dei processi di fab-bricazione. Per la metallizzazione si puòoggi impiegare il rame invece dell'argento;sono entrati nell'uso materiali migliori perl'incapsulamento; la saldatura dei collega-menti elettrici fra celle è ora automatizza-ta. Tutte queste innovazioni incidono inmodo tale che il costo stimato di una schie-ra fotovoltaica potrebbe essere ora, in unaproduzione su vasta scala, di 1500 dollari(dollari del 1985) per chilowatt di capacità

massima. Si tratta di un miglioramentodrastico rispetto alla situazione del 1975.Nel corso degli stessi dieci anni il costo diun impianto a carbone tradizionale è salitoa 1100 dollari per chilowatt. Anche cosìperò il costo dell'energia fotovoltaica do-vrà diminuire ancora se si vuole che le celleabbiano una parte significativa nella pro-duzione di energia.

Oltre a influire sul costo dell'energia, imateriali influiscono sul rendimento

con il quale l'energia viene utilizzata. Intutti i settori dell'economia questo rendi-mento è basso. Nel settore abitativo e inquello commerciale il rendimento è del 65per cento, valore stimato paragonandosemplicemente il calore prodotto dai bru-ciatori con il contenuto energetico delcombustibile che li alimenta. Il rendimentotermodinamico totale del riscaldamento diun edificio è decisamente inferiore al 10per cento. Nei trasporti si raggiunge il 10per cento. Il settore industriale è quello incui si utilizza nel modo migliore l'energia:il suo rendimento varia dal 10 al 35 percento. Il rendimento del sistema economi-co nel suo complesso è dell'ordine del 10per cento.

Una delle ragioni per le quali il rendi-mento è basso è che lungo tutti i percorsidel flusso energetico vi sono perdite. Si

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Lo stratapax, un materiale che migliora le prestazioni delle trivelle usate nelle perforazioni petro-lifere, consiste di piccoli diamanti che, sinterizzati, danno origine a un materiale policristallinoestremamente duro e resistente, nel quale mancano i piani di sfaldatura caratteristici del diamantenaturale. Questo materiale è stato messo a punto dalla Generai Electric Company; dischi distratapax (in grigio scuro) vengono fissati a colonnette di carburo di tungsteno, montate sullatrivella. La rotazione della trivella consente allo stratapax di frantumare la roccia. In formazionidi media durezza, una trivella di stratapax perfora quattro volte più velocemente delle trivelletradizionali; inoltre ha una durata molto superiore. Si stima che il risparmio ottenuto dall'industriadi trivellazione degli Stati Uniti sia di parecchie centinaia di milioni di dollari all'anno. Lo stratapaxe un esempio di un nuovo materiale che è stato realizzato allo scopo di migliorare la produzionedi energia; la maggior parte delle innovazioni comporta il miglioramento di materiali esistenti.

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La duttilità è tipica dei metalli più che delle ceramiche. In un metallo (a sinistra), gli elettroni esternidi ogni atomo tendono a essere condivisi con altri atomi, dando luogo a una coesione non localiz-zata (ombreggiatura in colore). È così facile alleggerire la sollecitazione sul bordo netto di unpiccolo difetto o incrinatura nel materiale; basta una piccola forza di taglio per spostare il difetto.In una ceramica (a destra) la condivisione degli elettroni assume la forma di legami chimicifortemente localizzati e direzionali (linee in colore). Per spostare un difetto occorre che i legami sispezzino e se ne stabiliscano di nuovi, sicché può accadere che una forza che non riesce a spostareil difetto superi la resistenza a rottura del materiale. Una piccola incrinatura può così portare arottura per sollecitazione. Si sperimentano tecniche per produrre ceramiche quasi prive di difetti.

Nell'alluminuro di nichel si osserva un notevole ordine cristallino, in cui un insieme di atomi dinichel (in bianco) e uno di alluminio (in colore) si compenetrano. L'ordine conferisce ai singolicristalli della lega una grande resistenza, che non viene meno alle alte temperature. Un ulterioretrattamento (l'aggiunta di piccole quantità di boro e la sostituzione di alcuni atomi di alluminiocon atomi di afnio) produce una forma policristallina che conserva la resistenza alle alte tempera-ture. L'alluminuro di nichel è molto resistente anche alla corrosione, perciò dovrebbe servire a farfunzionare sistemi energetici a temperature più elevate e, quindi, con rendimenti superiori.

considerino, per esempio, i rendimenti deivari passaggi richiesti per trasformare l'e-nergia chimica del petrolio nel lavoro mec-canico necessario per spostare un'auto-mobile. L'estrazione del greggio, la raffi-nazione che lo trasforma in benzina e iltrasporto di questa sono tutti passaggi conrendimento abbastanza alto; in comples-so, tuttavia, essi consumano il 19 per cen-to del contenuto energetico della fonte pri-maria, lasciandone l'81 per cento. Vi è poiil motore a combustione interna dell'auto-mobile, che ha un rendimento del 30 percento circa; ciò riduce il rendimento com-plessivo a non più del 24 per cento. Visono inoltre perdite di efficienza meccani-ca tra il motore e lo spostamento delle ruo-te sulla strada. Il risultato finale è che me-no del 10 per cento dell'energia del petro-lio greggio serve effettivamente a far muo-vere l'automobile.

Nel corso dei prosimi decenni, graziea progressi nella progettazione e nei mate-riali, dovrebbe essere possibile conseguiremiglioramenti sostanziali nel rendimentodel consumo di energia. In sostanza, losfruttamento dell'energia è un processotermodinamico in cui una risorsa concen-trata di energia è trasformata in una formautile di energia che, alla fine, è dissipata incalore, una forma di energia a basso livel-lo. Il secondo principio della termodinami-ca pone un limite al rendimento del proces-so. In particolare, la frazione massima dienergia calorica che un dato processo puòtrasformare in lavoro dipende esclusiva-mente da due valori di temperatura, latemperatura dell'energia a basso livello, ocalore, in uscita ( T2) e la temperatura dellarisorsa concentrata di energia in ingresso(T i ). In termini algebrici la frazione mas-sima è 1 — T2/Ti. L'accorgimento, quin-di, consiste nel rendere il più possibile ele-vata la temperatura in ingresso, mante-nendo bassa la temperatura in uscita.

In tutti i dispositivi reali la temperaturain ingresso dipende dalle prestazioni deimateriali. In una tipica centrale elettrica acarbone, per esempio, la temperatura delvapore che alimenta le turbine è normal-mente di 810 kelvin (540 gradi Celsius) ela temperatura dell'acqua che esce dalleturbine è di 370 kelvin (100 gradi Celsius).Quindi il rendimento massimo è del 54 percento. Le perdite, in un impianto reale, ri-ducono poi il rendimento a un valore effet-tivo del 35 per cento circa. Gran partedelle ricerche sui materiali per le centralielettriche mira quindi alla progettazione ditipi particolari di materiale, capaci di resi-stere a temperature di funzionamento piùalte di quelle attuali, così da migliorare illimite termodinamico del rendimento.

Una strada che alla lunga può consen-tire di raggiungere un rendimento termo-dinamico più elevato è quella della costru-zione di palette per turbine in ceramica.Materiali ceramici, come il nitruro di sili-cio (Si3N4) e il carburo di silicio (SiC),sono stabili per lunghi periodi a tempera-ture superiori a 1200 gradi Celsius. Il pro-blema consiste nella mancanza di duttilità:una ceramica non può essere deformata

plasticamente, non può scorrere o «cica-trizzarsi» attorno a una piccola incrinatu-ra o a un difetto. Quindi un funzionamentoprolungato a temperatura elevata e conuna forte sollecitazione meccanica potreb-be provocare un cedimento delle palette. Sistanno sviluppando nuovi metodi per ri-mediare a questo inconveniente. Per esem-pio, si sta compiendo una intensa ricercasui processi di fabbricazione quali la com-pressione a caldo (o sinterizzazione a pres-sione e temperatura elevate) del nitruro disilicio. Queste ricerche dovrebbero porta-re a materiali ceramici con pochissimi di-fetti. Affinché questo tipo di materiali pos-sa essere impiegato in impianti reali dovesi richiedono tempi di funzionamento mol-to lunghi, sarà necessario sottoporlo a pro-lungati collaudi in condizioni di pressione.di temperatura e di corrosione simili aquelle in cui i materiali verranno utilizzati.

Un'altra strada per ottenere una tempe-ratura di funzionamento elevata e un no-tevole rendimento termodinamico vieneofferta dall'alluminuro di nichel (Ni3A1),una lega intermetallica interessante perchéla sua struttura cristallina possiede un or-dine esteso. Ciò significa che gli atomi deidue metalli che la compongono, il nichel el'alluminio, non si mescolano a caso, macostituiscono una struttura in cui si com-penetrano due sottoreticoli, uno formatodagli atomi di alluminio e l'altro da quellidi nichel. Ne risulta un materiale altamen-te stabile e resistente alla corrosione, al-l'ossidazione e alle alte temperature. Ad-dirittura il suo limite di snervamento (il ca-rico al quale si ha deformazione perma-nente) aumenta con la temperatura.

Lapplicazione dell'alluminuro di nichel èstata limitata dal fatto che la forma

policristallina della lega in commercio hauna scarsa duttilità. Tra i singoli grani cri-stallini si formano fratture prima che i gra-ni stessi possano deformarsi e neutralizza-re il difetto. Studi recenti dimostrano che,approntando una microlega, cioè control-lando accuratamente le percentuali di ni-chel e di alluminio e aggiungendo una pic-cola quantità di boro, si aumenta la coe-sione fra i grani in modo che le fratture,quando avvengono, sono all'interno deigrani stessi. Inoltre, sostituendo una partedell'alluminio con afnio, la resistenza dellalega aumenta di molto e il limite massimodi snervamento si ha a 850 gradi Celsius.Si ottiene così un materiale che dovrebbedimostrarsi efficiente in molte situazioni incui l'elevata temperatura di funzionamen-to permette un rendimento migliore. Perquanto concerne le centrali elettriche, ipossibili campi di applicazione riguardanole palette delle turbine, gli scambiatori dicalore e le tubazioni ad alta pressione.

Ciò non significa che le possibilità di unmiglior rendimento nell'utilizzazione del-l'energia si abbiano tutte a maggiori tem-perature. Almeno una possibilità si ha al-l'estremo opposto: a temperature bassissi-me, infatti, certi materiali diventano stIper-conduttori, cioè cessano di offrire resisten-za al passaggio della corrente elettrica.

Una possibilità specifica risiede nell'uso dicavi superconduttori, cioè cavi di materia-le superconduttore, raffreddato a una tem-peratura inferiore a quella critica (la tem-peratura a cui quel materiale manifesta lasuperconduttività). L'energia elettrica og-gi trasportata da grandi elettrodotti soste-nuti dai loro alti tralicci potrebbe esseretrasportata in modo più efficiente da cavisuperconduttori molto più piccoli. La spe-sa in più e la necessità del raffreddamentopotrebbero essere giustificate nelle grandiaree urbane o dove è vietato il trasportoaereo dell'elettricità.

Per i cavi superconduttori è interessanteun'ampia categoria di materiali, noti comesuperconduttori di tipo II (perché hanno incomune certe proprietà magnetiche); essipossono sopportare correnti di densità su-periore a 1550 ampere per centimetroquadrato. In particolare, il niobio-titanio(NbTi) può essere facilmente trafilato infili sottili. Esso ha, tuttavia, una tempera-tura critica di 9,5 kelvin (cioè 9,5 gradiCelsius al di sopra dello zero assoluto) e

potrebbe quindi essere più convenienteusare un superconduttore che abbia unatemperatura critica superiore; il raffredda-mento del materiale sarebbe più facile e, diconseguenza, il costo e il consumo di ener-gia risulterebbero ridotti. Il niobio-stagno(Nb3Sn) ha una temperatura critica di18,1 kelvin. Per rendere minimo il costoper fabbricare cavi da esso è stato ideatoun processo nel quale, dapprima, il niobiopuro è trafilato in nastri; in seguito i nastrivengono immersi in stagno; poi una rea-zione chimica ad alta temperatura produ-ce il niobio-stagno. Nel passaggio finaledel processo il fragile nastro è inserito tradue conduttori normali.

Per produrre un cavo vero e proprio (unfascio di filamenti superconduttori) sononecessari altri passaggi. Per prima cosa ilfascio di filamenti deve essere avvolto inun isolante. La carta impregnata d'olio,che è l'isolante tradizionale, non è utilizza-bile a temperature così basse. Si sta per-tanto sperimentando un'alternativa: alcu-ni campioni da laboratorio di propilene

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ENERGIANUCLEARE

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CARBONE

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PETROLIO EGAS NATURALE

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1950 1975 2000

ANNI

L'aumento e la diminuzione del contributo che le varie fonti di energia hanno dato, danno edaranno all'economia degli Stati Uniti dimostrano che ogni nuova risorsa richiede un periodo didecenni per arrivare a un apporto sostanziale. Per esempio, sono stati necessari alcuni decenniperché il carbone soppiantasse il legno, il vento e l'acqua. Non vi è dubbio che ci vorrà tempoanche per le risorse future, come le celle fotovoltaiche o la fusione nucleare. A mano a mano chesi procede allo sfruttamento del petrolio e del gas naturale occorrerà trovare nuove fonti, per il cuisviluppo saranno essenziali materiali speciali. La fonte energetica più controversa di oggi, lafissione nucleare, soddisfa solo il 5 per cento della domanda di energia degli Stati Uniti.

È stata la struttura di due minerali, la zirconolite (a sinistra) e la perov-skite (a destra), a suggerire che certe miscele sintetiche di minerali po-trebbero agevolare il confinamento permanente delle scorie radioattive.I due minerali sono estremamente insolubili; inoltre si sa che essi riesconoa intrappolare gli atomi di elementi radioattivi come l'uranio e il torio per

periodi di tempo geologici. Alfred E. Ringwood dell'Australian NationalUniversity ha proposto di incorporare le scorie in questi minerali; gliatomi radioattivi potrebbero prendere il posto dello zirconio nella zirco-nolite (in viola) e del calcio nella perovskite (in giallo). I minerali potreb-bero essere successivamente sinterizzati e dare origine a una ceramica.

CALCIO ZIRCONIO

OSSIGENO

TITANIO

TITANIOOSSIGENO

CALCIO

hanno dimostrato di possedere proprietàeccellenti come isolanti a bassa tempera-tura. A temperatura ambiente (o a unatemperatura non eccezionale) i campionisono flessibili, il che ne facilita l'installa-zione. A bassa temperatura essi presenta-no una perdita dielettrica bassa, cioè iso-lano bene. Con una sorta di retroazione,che si presenta spesso in campo tecnologi-co, hanno inoltre dimostrato di possederecaratteristiche superiori per l'isolamentodi conduttori normali a temperatura am-biente. Tuttavia, sarà necessario un note-vole impegno per trasferire le proprietà delpolipropilene di laboratorio al polipropile-ne fabbricato a fini commerciali. Bisogne-rà ideare un processo che fornisca in quan-tità una materia plastica abbastanza esen-te da quelle impurezze che comprometto-no le capacità isolanti del materiale.

T materiali influiscono sull'uso dell'e-' nergia anche migliorando l'affidabilitàe la sicurezza dei processi di produzione edi trasformazione. L'affidabilità è il risul-tato di un buon progetto, analizzato e col-laudato a fondo e basato su materiali di cuisiano ben conosciute le proprietà in condi-zioni di funzionamento. La sicurezza si ot-tiene se le prestazioni di un materiale fab-bricato per un'esigenza particolare vengo-no verificate in tutte le condizioni di fun-zionamento, anche quelle più estreme eimprobabili. La sicurezza è diventata sem-pre più importante; il pubblico esige unatecnologia energetica in cui non esista vir-tualmente alcuna probabilità di incidenti.

Il confinamento delle scorie radioattivedei reattori nucleari richiederà una tecno-logia di questo tipo. La strategia generale

per lo smaltimento permanente si realizzain tre passaggi. Prima la scoria deve essereresa parte integrante di un solido piuttostoinsolubile; poi il solido deve essere rac-chiuso in un involucro impermeabile; infi-ne, le scorie nell'involucro devono esseresepolte in una struttura geologica asciuttae stabile. Per i primi due passaggi è neces-sario sviluppare nuovi materiali.

La ricerca è già avviata. Per esempio, ilvetro al borosilicato si è dimostrato unospite eccellente per le scorie radioattive,vale a dire un materiale eccellente per ilprimo passaggio nel procedimento di con-finamento delle scorie. Se in futuro sarànecessario un materiale ospite ancora mi-gliore, potrebbe trattarsi di un materialeceramico. Quando, nel 1978, Alfred E.Ringwood, dell'Australian National Uni-versity, suggerì di impiegare il SYNROC -una miscela sintetica di minerali come lazirconolite (C aZrTi20 7 ) e la perovskite(C aTiO 3 ) - per intrappolare gli atomi ra-dioattivi, di fatto proponeva una ceramicaparticolare. Allo stato naturale questi mi-nerali sono estremamente insolubili ed ènoto che essi hanno confinato atomi di ele-menti radioattivi, compresi l'uranio e il to-rio, per periodi di centinaia di milioni dianni. La fabbricazione del SYNROC dacomposti come l'ossido di titanio e l'ossidodi zirconio è relativamente semplice. Leprove confermano la grande stabilità diquesto materiale. Il problema è grosso mo-do quello di individuare il materiale piùadatto a stabilizzare le miscele di elementiradioattivi nei vari tipi di scorie.

Il secondo passaggio, cioè la costituzio-ne di una barriera impermeabile tra scoriee ambiente, richiede un contenitore metal-

lico estremamente resistente alla corrosio-ne e alla degradazione. Questa necessitàsorge in parte perché la velocità alla qualele sostanze chimiche attaccano un mate-riale tende ad aumentare con la tempera-tura e la radioattività del cesio e dellostronzio manterrà elevata la temperaturadel contenitore per circa 300 anni. (Latemperatura iniziale del contenitore, quan-do la radioattività ha la massima intensità,sarà di circa 200 gradi Celsius.) Se si vuoleprevedere il comportamento a lungo ter-mine del contenitore sulla base di collaudia breve termine occorrerà comprendereperfettamente il meccanismo di degrada-zione. Anche se i contenitori sono destinatia essere collocati in un ambiente secco, ilcollaudo avviene immergendoli in acquasovrasalata ossia nel peggiore ambientepossibile (vale a dire il più corrosivo).

Attualmente è in corso di sperimenta-zione una lega di titanio designata con lasigla «Ti code 12 », che potrebbe fungereda materiale per i contenitori. Si è vistoche, esposta all'aria, questa lega si ricopredi un sottile strato di ossido che la proteggedalla corrosione. Prove molto esaurientihanno inoltre accertato che la lega è stabi-le alla corrosione generale e localizzata,anche ad alta temperatura e sotto il bom-bardamento di radiazioni gamma che nor-malmente attraverserebbero il contenito-re. Sono necessarie altre ricerche per ren-dere la lega adatta al trasporto dei conte-nitori pieni di scorie fino al luogo di conti-namento. Un incidente potrebbe frantu-mare un contenitore durante il trasporto ele proprietà da valutare per stabilire qualeresistenza i contenitori hanno a questo tipodi incidenti sono strutturali e meccaniche.

I n un quadro più ampio la messa a punto di materiali nuovi o migliori permette di

modificare la gamma delle fonti energeti-che a disposizione di una società. Le fontipiù antiche - muscoli, legno, acqua e vento- sono state le prime a essere integrate.Esse non possono provvedere all'enormequantità di forme concentrate di energiache richiede una società industriale. Nellastoria degli Stati Uniti, per esempio, l'e-spansione industriale che segui la guerracivile fu possibile solo perché i combusti-bili minerali stavano diventando le fontienergetiche principali. Nel 1910 il carbonecopriva i tre quarti del consumo energeticodegli Stati Uniti. Oggigiorno petrolio e gasnaturale forniscono la maggior parte del-l'energia.

In breve, occorsero più di 60 anni per-ché il carbone diventasse il combustibiledominante, e più o meno altrettanti anniperché il petrolio e il gas naturale soppian-tassero il carbone. I sistemi energetici so-no grandi e complessi; dovranno trascor-rere decine di anni prima che una nuovafonte energetica possa offrire un contribu-to significativo.

Questa scala dei tempi varrà anche peril futuro. Anche se le previsioni risentonoin misura notevole della diversità delle opi-nioni, è chiaro che il contributo del petro-lio diminuirà e che le risorse rinnovabili,come per esempio la radiazione solare e ilvento (sfruttati dalle celle fotovoltaiche edai generatori eolici) avranno un. ruolosempre più importante; così pure è preve-dibile il contributo dell'energia nucleare(fissione e fusione). Tutte queste fonti con-tribuiranno soprattutto alla generazione dielettricità, mentre rimarrà sempre l'esigen-za di un combustibile liquido per il settoredei trasporti. Per ora sembra che il metodopiù promettente sia la liquefazione del car-bone, per la quale sarà necessario prepa-rare materiali speciali e, in primo luogo,catalizzatori adatti.

Per la liquefazione del carbone, un pro-cedimento sviluppato sessant'anni fa, è ne-cessario aggiungere idrogeno al carboneattraverso una reazione chimica, che pro-duce vari liquidi, compresa la benzina, aseconda della quantità di idrogeno aggiun-to. Un aspetto positivo del processo è chel'aggiunta di idrogeno elimina dal carbonela maggior parte dello zolfo, che è legatoin composti organici oppure sotto forma dibisolfuro di ferro. La reazione diretta del-l'idrogeno e del carbone richiede tempera-ture e pressioni elevate, le quali richiedonoa loro volta massicci recipienti di reazionecostruiti con materiali costosi. Pertanto lachiave per la produzione economica dicombustibile liquefatto è rappresentata dacatalizzatori in grado di far avvenire lareazione a condizioni meno estreme. I ca-talizzatori attuali non sono buoni quantopotrebbero esserlo: circa metà del costoiniziale stimato di un impianto di liquefa-zione del carbone su scala commercialepuò essere attribuito ai recipienti di reazio-ne e alle loro apparecchiature ausiliarie. Sela selettività e l'efficienza dei catalizzatorimigliorassero, il processo di liquefazione

potrebbe avvenire a temperatura e pressio-ne inferiori e il costo scenderebbe di molto.

Un esempio degli sforzi che si stannocompiendo per trovare catalizzatori

migliori è costituito da uno studio compiu-to sugli ossidi idrati di titanio, niobio, tan-talio e zirconio. Questi composti fungonoda struttura di sostegno per metalli catali-tici come il palladio, il platino, il molibde-no o il nichel. In particolare, i compostipossono partecipare a uno scambio ionicoin cui uno ione metallico del composto (peresempio uno ione di sodio) è sostituito dauno ione catalitico (per esempio uno ionedi platino). Un ulteriore trattamento forni-sce piccoli ammassi di composto, che in-corporano una distribuzione uniforme diioni catalitici.

Questi ammassi, in effetti, si mostranoin grado di ridurre drasticamente la tem-peratura e la pressione richieste nel primopassaggio della liquefazione del carbone:l'idrogenazione del carbone frantumatotrasportato da un solvente idrocarburico.La stabilità a lungo termine degli ammassicatalitici rimane dubbia. I catalizzatori,

per definizione, non vengono consumatinella reazione chimica che facilitano; sonotuttavia soggetti a disattivazione da partedi certe sostanze contenute nel carbone,come per esempio lo zolfo. Il catalizzatoredeve quindi essere riattivato o sostituito.In alternativa, il catalizzatore deve essereprogettato in modo da resistere alla disat-tivazione. Il processo di scambio ionicopermette agli ammassi di incorporare tipidiversi di ioni attivi in qualsiasi percentua-le voluta. È probabile che questa flessibili-tà nella produzione degli ammassi rendapossibile lo sviluppo di catalizzatori di lun-ga durata.

I contributi che i materiali hanno dato,e continueranno a dare al recupero, al trat-tamento e all'utilizzazione dell'energia so-no fondamentali per le economie indu-striali, la cui storia mette in luce una strettacorrelazione tra consumo di energia e li-vello di vita. Siamo ottimisti sulla possibi-lità che ulteriori innovazioni riusciranno arendere disponibili quantità di energia ade-guate al continuo miglioramento del be-nessere economico degli Stati Uniti e ditutto il mondo.

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