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Il Circolo di Osservazione Scientifico-tecnologico di Modena In collaborazione con:
Il Civico Planetario “F. Martino“ di Modena Presentano
“un altro equinozio con il
C.O.S.Mo.” (Lo spazio, dal passato al futuro.)
http://www.ilcosmo.net/ http://www.planetariodimodena.it
Il fabbisogno mondiale di energia si può esprimere in TWh (TeraWatt/ora) , unità di misura facile da trasformare (1PWh = 1012 KWh = 109 MWh = 103 TWh). I dati però sono solitamente in BEP (barile equiv. di petrolio, o Barrel of Oil Equivalent BOE), o in BTU (British Thermal Unit), o in TEP (TEP tonn. Equiv. di petrolio, o tonne of oil equivalent, TOE) . Un barile di petrolio = 158,984 litri; circa 1,67 MWh. Ma non è un valore codificato. Dipende dall’uso che se ne fa.
Multipli e unità di misura
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Mancano ancora grandi consumatori quali Cina, India, Brasile; Russia Indocina, ecc.
Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE). Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD);
Fabbisogno mondiale di energia (Fonte: International Energy Outlook 2016
https://www.eia.gov/forecasts/ieo/world.cfm )
• Nel 2006, il consumo mondiale di enegia primaria totale dell'umanità è stato di 131,4 PWh/anno pari ad una POTENZA MEDIA di 15 TW
• (= 1.5 x 1013 W) che per un 86,5% proveniva dai combustibili fossili.
• Vi è un'incertezza di almeno il 10% nei valori del consumo energetico totale del mondo.
• Oggi, 2017 il consumo è di 600 Quadr.BTU pari a 171 PWh, quindi 19.5 TW medi.
• (circa 10 miliardi di ferri da stiro sempre accesi, + di uno a testa).
Consumo mondiale di energia primaria per tipo.
Somma al 2006 :
approx: 460 Quadr.BTU = 12 GTEP = 131.4 PWh (15TW)
(Somme dei vari valori per tipologia)
2006
CPP = Clean Power Plan
1 PWh = 1.000.000.000 MWh
1 quadrilione di BTU = 293 TWh = 0.293 PWh 400 quadrilioni = 117.2 PWh
175,8 PWh
234,5 PWh
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Consumo mondiale di energia primaria
suddivisa per fonti.
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PWh 2017: 25 PWh su un totale di primaria di 171; circa un settimo.
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PWh
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http://www.qualenergia.it/articoli/20160121-rinnovabili-nel-2015-calano-di-10virgola7-TWh-oggi-35-percento-domanda-elettrica
Brasile Russia India Cina Sudafrica
• Italia: Elaborazioni Autorità per l’energia elettrica e il gas su dati GRTN/TERNA per l’anno 2015. 11
Il fabbisogno di energia elettrica 2016 in Italia. 314,3TWh (-0,8% sul 2015), (88,2% da produzione nazionale), pari a 36 GW medi continui (14 milioni di ferri da stiro).
Popolazione mondiale.
Equilibri mondiali: in Africa 4,2 miliardi di persone, Europa e Italia in forte declino Nel 2100 saremo 11 miliardi (Dati ONU 2015)
Abbiamo un problema!
Probabili sconvolgimenti delle previsioni: Le nascite nei paesi occidentali stanno precipitando. Rispetto a solo 15 anni fa le nascite sono calate del 45% ed in certi casi anche del 60%.
Per calcolare l’impronta ecologica si considerano 6 categorie (impronte parziali):
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• 1. il carbonio, che rappresenta la superficie di foresta necessaria per assorbire le emissioni di CO2 causate dal consumo di energia fossile e di prodotti manifatturieri.
• 2. le colture, che corrisponde alla superficie necessaria per produrre le materie prime destinate al consumo o all’industria.
• 3. i pascoli, che costituisce la superficie necessaria per produrre il bestiame che fornirà la carne e i prodotti derivati.
• 4. le foreste, che corrisponde alla superficie necessaria per rispondere ai bisogni di prodotti legati alla filiera del legno.
• 5. la pesca, che corrisponde alla superficie necessaria per produrre i pesci e i frutti di mare.
• 6. l’antropizzazione delle terre, che è costituita dalla superficie utilizzata per le città e le infrastrutture umane.
http://it.edu.marittimemercantour.eu/io-agisco/impronta-ecologica
Fonte:http://www.footprintnetwork.org/our-work/ecological-footprint/
I moti ed i cicli della Terra incidono parecchio sul clima!
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Oltre alla rotazione ed alla rivoluzione, esistono i Moti millenari 3. Precessione degli equinozi: è il risultato del movimento doppio-conico
dell'asse terrestre per l'azione gravitazionale della Luna e del Sole e per la rotazione terrestre (23.000 anni).
4. Nutazione: In aggiunta a questa variazione c'è un'altra variazione dell'inclinazione assiale, la nutazione, che ha un periodo molto più breve: 18,6 anni (La componente longitudinale ha un'ampiezza di 17" e quella obliqua di 9“)
L’attrazione lunare sulla Terra gonfiata all’equatore tende a raddrizzare l’inclinazione dell’asse terrestre ed a stabilizzarlo.
I moti della Terra (Milankovitch Cycles )
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6 - Variazione dell'eccentricità dell'orbita: ogni 92.000 anni varia da un massimo di 0,054 a un minimo di 0,003.
7- Variazione dell'inclinazione dell'asse terrestre: è la variazione che l'asse di rotazione della Terra forma con il piano dell'orbita e varia da un massimo di 24°20' a un minimo di 21°55' ogni 41.000 anni. (oggi 23,43)
5 - Spostamento della linea degli apsidi (precessione anomalistica) movimento dell'orbita terrestre causato dall'attrazione esercitata dagli altri pianeti. L'asse maggiore dell'orbita terrestre, detto linea degli apsidi, ruota, facendo perno nel centro del Sole, in senso antiorario. Il periodo di questa rotazione è di circa 117.000 anni.
I moti della Terra
Moti galattici Altri movimenti coinvolgono la Terra in quanto facente
parte del Sistema Solare, della Galassia e dell’Universo:
8) il moto di traslazione che il Sistema Solare esegue attorno alla Via Lattea in direzione della Costellazione di Ercole; (217 km*s, pari a 25 anni galattici).
9) Pendolamento, insieme al Sole, ogni circa 100 milioni di anni, in sù ed in giù rispetto al piano galattico (2,7 volte ogni giro di 250 milioni di anni).
10) La nostra galassia si starebbe muovendo a 600 km*s, verso un punto di Spazio visibile nella costellazione dell'Idra, e potrebbe col tempo diventare un membro dell'Ammasso della Vergine.
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Filmato: movimenti galattici
Il vero problema!!
La CO2
CO2 : Anidride Carbonica CH4 : Metano N2O : Protossido di azoto
• Questo è lo scenario, non molto promettente, del fabbisogno energetico e delle condizioni ambientali del nostro pianeta, oggi e nel prevedibile futuro, senza considerare catastrofi, epidemie, carestie e guerre.
• Cosa stiamo facendo per evitare di consegnare una catastrofe ai nostri nipoti?
Dobbiamo arrivare ad una crescita sostenibile ed adeguata a ciò che il nostro pianeta può garantire!
• Energie alternative pulite, rinnovabili con bassa o
nulla produzione di CO2. • Quindi: solare, eolico, geotermico, mareale, nucleare
a fusione ed anche “spaziale”. • Ogni trasformazione produce una perdita di energia! 23
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Pannelli fotovoltaici => energia elettrica: 13-:-17%
Trasformazione dell’energia elettrica in energia trasportabile. (automotive).
• I mezzi di trasporto hanno bisogno di energia trasportabile o accumulabile.
• Gli accumulatori agli ioni di litio di nuova concezione sono oggi i migliori candidati: batterie leggere, longeve e riciclabili. La disponibilità del “petrolio bianco” (il Litio) nel mondo è scarsa ed è, insieme alle terre rare, la nuova frontiera delle grandi potenze.
• Le auto elettriche sono delle divoratrici di litio, rame e neodimio, inoltre se non sono accompagnate da una conseguente politica energetica tesa a produrre energia elettrica con fonti rinnovabili, probabilmente i benefici verrebbero ampiamente eclissati dalla tripla conversione “chimica-meccanica-elettrica-batteria”
• Tra i combustibili liquidi prodotti dalle rinnovabili (energia elettrica) abbiamo in prospettiva: – Celle combustibile (ossigeno-idrogeno => elettricità e H2O). – Trasformazione della CO2 e acqua (o idrogeno) in Syngas (da
synthetic gas) e poi in metano.
26 Fonte: PSI (Svizzera) Paul Scherrer Institute www.psi.ch
Due i percorsi presi in esame per la produzione di metanolo: sintesi diretta del metanolo e sintesi indiretta sviluppando l’elettrocatalisi per la CO2 e la riduzione di H2O in CO e H2 (syngas), che può essere convertito in metanolo mediante i processi tradizionali.
Quali sono le tecnologie che non producono CO2?
Nessuna! Perché occorre includere anche le fasi di costruzione e smaltimento delle fonti di produzione e delle scorie, che comunque generano CO2, qualunque sia la tecnologia.
Trascurando queste fasi, elenchiamo le tecnologie più importanti che a regime producono energia (elettrica o meccanica) rilasciando quantità trascurabili di anidride carbonica o molto al di sotto dei valori accettabili. – Pannelli fotovoltaici (non su terreno coltivabile! Smaltimento). – Pannelli solari ed a concentrazione (costi, rendimenti e manutenzione). – Idroelettrica (può sconvolgere un ecosistema). – Nucleare a fissione (pericolo scorie radioattive, proliferazione, terrorismo). – Nucleare a fusione (ancora in fase di studio e sperimentazione). – Idrogeno; sia combustione che cella combustibile. (sicurezza ). – Eolico (deturpa ambiente e disturba la fauna). – Maree (eccessivi costi di manutenzione). – Geotermico (limitato e deturpa ambiente).
Quindi catturare l’anidride carbonica negli impianti è diventato attraente. Questo approccio, (CCS, Carbon Capture and Storage), potrebbe ridurre le emissioni in atmosfera di circa l’80-90%.
L’energia del futuro passa anche attraverso lo spazio.
• Le direzioni in cui la ricerca internazionale si sta muovendo per risolvere questo problema sono tante, ma noi, questa sera, ne vogliamo approfondire tre in particolare:
–Il fotovoltaico geostazionario.
–Il fotovoltaico lunare.
–L’elio3 e la fusione nucleare! Qualche domanda prima di proseguire?
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Energia solare irradiata sulla
Terra
1367 Wm2
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Bilancio energetico tra Sole, atmosfera e suolo terrestre alla nostra latitudine.
• Dei 1367 W/m2 ricevuti dal Sole a perpendicolo (intertropicale) a mezzogiorno, l’energia solare media (tra giorno e notte) in ingresso a Milano è pari a 342 W/m2 per tutto l’anno, dei quali solo 168 raggiungono il suolo.
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• 168 Watt/m2 di media su un pannello che con un rendimento pari al 13% rende:
21,8 Watt*m2 (Potenza media annuale)
(Una famiglia media consuma circa 4000 KWh/anno, pari a 20 m2)
• È ipotizzabile che con le nuove tecnologie in fase di sviluppo si arrivi al 19% quindi:
31,9 Watt*m2 (Potenza media annuale)
Quantità di energia dal Sole in Italia.
Un’area globale di pannelli fotovoltaici di 800.000 Km 2 (500 km di raggio), produrrebbe 19 TW il fabbisogno di energia Primaria. Mancherebbero gli accumuli per la notte e per il maltempo. Per la sola elettrica, basterebbe un settimo.
Il fabbisogno di energia elettrica 2016 in Italia: 314,3TWh (-0,8% sul 2015), (88,2% da produzione nazionale), pari a 36 GW medi continui (14 milioni di ferri da stiro). Per la sola elettricità in Italia servirebbe un area di 1634 Km 2
(23 Km di raggio) più o meno l’area metropolitana di Milano.
Facciamo una comparazione : Nello spazio, fuori dall’atmosfera terrestre, su un piano perpendicolare ai raggi del Sole abbiamo 1367 Wm2, quindi un pannello solare in quelle condizioni li riceve tutti. Considerando il rendimento obiettivo dei nuovi pannelli abbiamo:
19% di 1366W= 259 Wm2 Consideriamo di perdere il 5% in trasmissione = 246 Wm2
Mentre sulla terra, sui nostri tetti abbiamo 32 Wm2
Quindi: 246/32 = un aumento di oltre 7 volte!
Perché il fotovoltaico nello spazio?
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ROSA (Roll-Out Solar Array),
Come si trasmette l’energia elettrica senza fili?
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Technology Range Directivity Frequency Antenna devices Current and/or possible future
applications
Inductive coupling Short Low Hz – MHz Wire coils
Electric tooth brush and razor battery charging, induction stovetops and
industrial heaters.
Resonant inductive coupling Mid- Low kHz – GHz
Tuned wire coils, lumped element
resonators
Charging portable devices (Qi), biomedical implants, electric vehicles, powering
busses, trains, MAGLEV, RFID, smartcards.
Capacitive coupling Short Low kHz – MHz
Metal plate electrodes
Charging portable devices, power routing in large-scale integrated circuits,
Smartcards.
Magnetodynamic coupling Short N.A. Hz Rotating magnets
Charging electric vehicles, busses, biomedical implants.
Microwaves Long High GHz
Parabolic dishes, phased arrays,
rectennas Solar power satellite, powering drone
aircraft
Light waves Long High ≥THz Lasers, photocells,
lenses Powering drone aircraft, powering space
elevator climbers.
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• Nel 1974 a Peter Glaser è stato assegnato il brevetto numero 3,781,647. “Metodo per trasmettere energia dallo spazio verso la Terra utilizzando microonde e una particolare antenna chiamata rectenna.
• Un array di ricezione da 10 km di diametro consente grandi livelli di potenza mantenendo bassa la densità per la sicurezza dell'esposizione elettromagnetica umana.
• Una densità di potenza sicura di 1 mW/cm2 (10W/m2) distribuita su un'area di 10 km di diametro corrisponde a un livello di potenza totale di 785 MW (una centrale elettrica di media potenza).
Sono già state realizzate efficienze di conversione superiore al 95%.
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Centrale solare orbitale. • Una centrale solare orbitale (Space-Based Solar Power
(SBSP) è un'ipotetica centrale elettrica costituita da uno o più satelliti che tramite celle fotovoltaiche convertono la luce del Sole in corrente elettrica e poi tramite un'antenna trasmettono a terra l'energia ottenuta sotto forma di microonde o laser.
• Il vantaggio di disporre le celle fotovoltaiche nello spazio rispetto a quello di installarle sulla Terra è dovuto alla costanza dell'illuminazione e alla mancanza di condizioni atmosferiche (nuvole, pioggia, ecc.).
• Lo svantaggio principale è l'elevato costo del trasporto in orbita dei satelliti e delle relative infrastrutture.
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36.000 km
10W/m2
Struttura della stazione orbitante.
Space-Based Solar Power (SBSP) • Confronto con la ISS:
• è grande come un campo di calcio,
• si trova a circa 350 km dalla superficie terrestre,
• ha una massa di circa 232 t ,
• ha pannelli fotovoltaici per 112kW che usa completamente per il suo fabbisogno.
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La SBSP invece avrebbe: una dimensione di circa 5Km2 ,
orbita geostazionaria, cioè a 36.000 km,
una massa di circa 3.000 t,
ha pannelli fotovoltaici da oltre 5GW, da trasmettere a Terra, con un rendimento di oltre il 90%.
Space-Based Solar Power
• Dove sarà posizionato nello spazio la SSP?
• L’orbita geostazionaria (GEO), dove il satellite appare fisso sopra al suolo.
• illuminazione diretta e costante per il 99% dell'anno, non riceverebbe la luce solare solamente durante le eclissi e durante gli equinozi.
• Anche in questo caso si tratterebbe di una interruzione di illuminazione di poche ore e quindi compensabile con centrali tradizionali o altre centrali elettriche orbitali disposte in diversi luoghi della Terra.
• Il grosso vantaggio di questa tecnologia sta nel fatto che posso spostare il raggio energetico di migliaia di miglia in pochi minuti!! (purché vi sia l’antenna ricevente!)
Un’ora di ombra
durante gli
equinozi.
A 10.000 kh, rimane eclissata nell’equinozio per circa un’ora al giorno.
Rectenna
• Una rectenna è una speciale antenna utilizzata per convertire direttamente le microonde in corrente continua. Il nome è la contrazione di :
Rect-ifying ant-enna • Questa tipologia di antenne usualmente sono utilizzate in
configurazione a griglia e quindi sono esteticamente molto diverse dalle classiche antenne.
• Una semplice rectenna è costituita da un diodo Schottky collegato tra i dipoli di un'antenna. Il diodo rettifica la corrente indotta sull'antenna dalle microonde.
• Sono utilizzati diodi Schottky dato che hanno la minor tensione di soglia tra i diodi in commercio (0,15V anziché 0,6) e quindi sono quelli che disperdono meno potenza.
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Sicurezza e ambiente. • la rectenna, può essere attraversata da oltre il 90% della luce, ma
assorbe quasi tutta l'energia irradiata (95%). È una rete con quadrati di 7 mm di lato in quarto d’onda a 10 GHz.
• Generano meno calore delle celle fotovoltaiche (che trasformano in calore oltre l’80% dell’energia ricevuta), a causa dell'efficienza di agganciamento più grande.
• Questo significa che l'area al di sotto della rectenna può continuare ad essere usata per scopi agricoli o pastorali.
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I vantaggi dell’energia dallo spazio. • non emette gas serra. • non richiede sprechi di acqua, spazio, terreno. • non produce rifiuti pericolosi. • è disponibile 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, in quantità enormi. • funziona a prescindere dalla copertura nuvolosa, la luce del giorno, o la velocità
del vento. • non è un facile bersaglio per i terroristi. • non richiede operazioni di estrazione problematiche per l'ambiente. • garantisce autonomia energetica per le nazioni in via di sviluppo. • non genera dipendenza dai fornitori di petrolio. • può essere esportata in qualsiasi posto nel mondo, e la sua energia può essere
convertita per esigenze locali semplicemente reindirizzando la trasmissione. • può essere utilizzato anche per la desalinizzazione dell'acqua di mare. • può sfruttare l’investimento in esperienza aerospaziale per ampliare le
opportunità di lavoro e per risolvere i problemi difficili della sicurezza energetica e del cambiamento climatico.
• è in grado di fornire un mercato abbastanza grande per lo sviluppo del sistema di trasporto spaziale a basso costo che è necessario per la sua implementazione.
Svantaggi costi di sviluppo molto grandi.
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Filmato SBSP
Anche la Luna può essere una base per raccogliere energia solare e
trasmetterla a terra.
• Dopo il disastro di Fukushima del 2011, il Giappone sta cercando di orientarsi con sempre più insistenza all'energia solare come valida alternativa all'atomo. Tanto che una ditta di costruzione nipponica sta conducendo una campagna per alimentare tutta la Terra con l'energia direttamente assorbita dalla Luna.
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La Luna non è geostazionaria, quindi serviranno anche satelliti relè, con ulteriore perdita di potenza, oppure più centrali riceventi distribuite intorno al globo.
• Dall’energia diretta del Sole, a quella artificiale dell’atomo, con lo stesso processo del Sole, ma con il supporto della
polvere lunare. Domande?
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Ora cambiamo scenario, ma sempre dallo spazio:
La Luna e ELIO-3 • L'Elio-3 è un isotopo dell'elio composto da due
protoni e un neutrone. La sua esistenza è stata
postulata per la prima volta nel 1934 dal fisico Mark Oliphant.
• La reazione nucleare elio 3-elio3, è molto potente: 160 MWh per ogni grammo di 3He . Quindi, 24 tonnellate di elio-3 possono soddisfare il bisogno di elettricità di un anno degli USA. (3.9 PWh/y, fonte CIA)
• Sulla Luna (grazie al progetto Apollo), si è scoperto che l’elio 3 si concentra per il 50% nei mari lunari (20% della superficie lunare).
• Le analisi hanno ipotizzato la presenza dello 0.01% di elio-3 tra le rocce lunari (circa 1mil. tonnellate), dove è stato prodotto dal vento solare e dai raggi cosmici nel corso di miliardi di anni.
• Si trova anche nei giganti gassosi del sistema solare (residui dell'antica nebulosa solare).
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Differenza tra fissione e fusione nucleare? La fissione di un atomo di uranio produce una energia pari a 100.000 volte quella prodotta dalla combustione di un atomo di carbonio. La “reazione a catena” è il motore delle centrali nucleari attuali ma è anche il grosso problema responsabile della eventuale e temutissima “fusione del nocciolo” (o sindrome cinese).
Fissione
Una centrale spenta, cioè che non produce neanche un watt, deve comunque essere refrigerata, perché il combustibile (Uranio arricchito), fortemente radioattivo, se lasciato senza raffreddamento (come successo sia a Chernobyl che a Fukushima), la temperatura sale fino a fondere il nocciolo, dopodiché il disastro è assicurato. Solo a Three Miles Island si è riusciti a contenere la fuga perché il Wessel ha tenuto.
Protoni che alimentano la catena
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Situazione delle centrali nucleari a fissione nel mondo.
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Cos’è la fusione nucleare?
• la fusione nucleare è il processo di reazione nucleare attraverso il quale i nuclei di due o più atomi (leggeri) vengono avvicinati o compressi a tal punto da superare la repulsione elettromagnetica e unirsi tra loro generando il nucleo di un elemento di massa minore, o maggiore, della somma delle masse dei nuclei reagenti, nonché, talvolta, uno o più neutroni liberi.
• La fusione di elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 esclusi (ferro e nichel) è una reazione esotermica, cioè emette energia, essendovi una perdita di massa; per numeri atomici superiori la reazione è endotermica.
Sia nella fissione che nella fusione, vi è una trasformazione della materia (il combustibile), per cui
dopo la reazione la massa rimanente è minore. La “massa mancante” si è pertanto trasformata in
energia secondo la legge di Einstein e=mc2
Prima Prima Dopo Dopo
Confronto con la combustione. Esempio:
• l'energia di legame (sviluppata in una combustione) dell'elettrone al nucleo di idrogeno è di 13,6 eV.
• l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T è pari a 17,6 MeV, quella Elio3-Elio3 è di 12,5 MeV,
• cioè un milione di volte la combustione e più di dieci volte la fissione.
• Con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe quindi produrre l'energia sviluppata da 1,3 tonnellate di carbone.
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La reazione Protone - protone
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Fusione elio 3: pulita, senza radiazioni, scorie, senza pericolo di proliferazione nucleare o di sindrome cinese.
Se spegni l’alimentazione il processo si ferma!
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Perché Elio 3 e non Idrogeno? • Alcuni processi di fusione producono neutroni ad alta
energia che rendono radioattivi i componenti che vengono colpiti dal loro bombardamento, per cui la creazione di energia deve avvenire tramite calore.
• Il vantaggio della fusione dell'elio-3 deriva dalla natura della sua reazione: di per sé non è radioattivo e i due protoni ad alta energia creati nella reazione possono facilmente essere controllati con campi magnetici ed elettrici (perché sono ionizzati, quindi carichi positivamente) e trasformati direttamente in energia elettrica.
• Il resto dell’energia prodotta (la maggioranza) è termica e si ottiene come al solito dalle turbine a vapore.
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Un reattore che sfrutti questa reazione ha alcuni problemi seri da risolvere.
• Anzitutto la temperatura ottimale alla quale avviene la fusione di è più elevata di quella Trizio Deuterio.
• Altro problema è che poiché l' Elio-3 viene introdotto nel reattore in forma di gas monoatomico, oltre al nucleo di ogni atomo vengono introdotti anche i suoi elettroni. Per cui, rispetto al combustibile fatto solo di idrogeno e suoi isotopi (Deuterio, Trizio), il combustibile che si ottiene dall'Elio-3 contiene un numero doppio di elettroni.
• Quindi, la componente elettronica del plasma causa una pressione a regime maggiore che nel caso in cui il combustibile sia solo idrogenico, rendendo ancora più difficile la progettazione e il funzionamento del reattore a Elio-3.
• Si possono avere anche, reazioni tra due nuclei di idrogeno, producendo neutroni oppure Trizio quindi radiazioni.
• A differenza della fissione tale problema è meglio gestibile, in quanto i prodotti radioattivi della fusione hanno un tempo di decadimento più breve, e non innescano complicate catene di decadimento.
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Una ipotetica stazione mineraria lunare per la raccolta dell’elio-3
Notizia del 28/9/2017: Americani e Russi (poi anche Cina, Europa e India) insieme nella nuova stazione spaziale permanente in orbita lunare a partire dal 2024. Obiettivi: Aumentare l’esperienza per andare su Marte e creare la premessa per basi permanenti sulla Luna.
La fusione nucleare • Le ricerche sullo sviluppo della fusione termonucleare
controllata per scopi civili cominciarono seriamente negli anni 50, e continuano ancora oggi. Molti progetti, tra cui: il National Ignition Facility e l'ITER sono in corso per raggiungere l'obiettivo dopo 60 anni di miglioramenti dei modelli sviluppati dai precedenti esperimenti. Entrambi saranno solo dimostratori di tecnologia e non centrali operative.
• Dopo ITER , con il processo consolidato, si avvierà il progetto DEMO che sarà una vera e propria centrale sperimentale.
• Vi è anche un progetto tutto italiano e che ha già ottenuto il via libera della Camera, è il DTT (Divertor Tokamak Test facility), che probabilmente sarà costruito in Piemonte .
• Un laboratorio che sarà l’anello di collegamento tra ITER e DEMO.
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L’ambiente per la fusione. • Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono
essere sufficientemente vicini, in modo che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva, quindi si respingono).
• Ciò avviene a distanze molto piccole, dell'ordine di qualche femtometro (10−15 metri).
• L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima pressione (altissima temperatura, circa 10⁷ kelvin, e/o altissima densità).
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La configurazione tipo Tokamak è particolarmente stabile e permette lunghi tempi di confinamento del plasma.
Dove si ottengono questi ambienti? Centrale a fusione
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)
• Sarà il primo impianto a
• fusione di dimensioni paragonabili a quelle di una centrale elettrica convenzionale, ed avrà il compito di dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione come fonte di energia.
• Il progetto dettagliato di ITER è condotto in numerosi centri di ricerca, università e industrie di tutto il mondo. Unione Europea, Giappone, Federazione Russa, Stati Uniti, Cina, Corea del Sud e India hanno siglato ufficialmente l'accordo per la realizzazione di ITER il 28 giugno 2005 a Mosca.
• La costruzione è cominciata nel 2007 nel sito europeo di Cadarache nel sud della Francia.
https://youtu.be/7mE-Ui5JwoI http://www.ipp.mpg.de/panorama
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L’Italia ha una parte importante con la Asg Superconuctors di La Spezia che realizzerà 18 supermagneti destinati a ITER. L’obiettivo di IETR, previsto entro il 2025, sarà quello di produrre una potenza di fusione di 500 MW per almeno 7 minuti oppure solo 300 MW ma per almeno 50 minuti. Le difficoltà tecniche sono di natura termodinamica (i supermagneti lavora a -273 gradi celsius dove a meno di un paio di metri vi sono temperature del plasma che superano i 150 milioni di gradi celsius) e di materiali. Il campo magneti generato è di 11,8 Tesla. Le rinnovabili potranno arrivare al massimo al 30% del fabbisogno globale di energia primaria. Se vogliamo eliminare i fossili il nucleare a fusione è l’unica strada pulita.
ITER
Altri sistemi: fusione a confinamento laser
Lawrence Livermore National Laboratory 7000 East Avenue • Livermore, CA 94550
Il National Ignition Facility (NIF) • è una installazione di ricerca sulla fusione a confinamento
inerziale basata su laser presso il Lawrence Livermore National Laboratory a Livermore negli Stati Uniti.
• Il NIF usa 192 laser per riscaldare e comprimere piccole quantità di idrogeno fino a che non si avvia una reazione di fusione nucleare.
• È il più grande ed energetico strumento di confinamento mai costruito al giorno d'oggi, e il primo dal quale ci si aspetta il raggiungimento dell'obiettivo di una reazione di fusione autosostenuta.
• A febbraio 2009 ne è stata completata la costruzione, si aspettava l'ignizione nel 2014. È costato oltre 4 miliardi di dollari e il suo ruolo nella ricerca di armi nucleari ne ha fatto un progetto controverso.
Le iniziative internazionali • La Cina: il Cosmochimico e geochimico Ouyang
Ziyuan dell'Accademia delle Scienze cinese, a capo del Programma Chang'e (Chang'e 1, Chang'e 2 e Chang'e 3) per l'esplorazione della Luna, ha affermato che uno dei principali obiettivi del programma è ottenere una fonte di elio-3 da cui trarre il combustibile per la generazione di energia, combustibile che verrà trasportato sulla terra da appositi shuttle ogni tre anni.
• La Russia: nel gennaio 2006 la compagnia spaziale russa RKK Energija ha annunciato di prevedere di poter estrarre elio-3 dalla Luna entro il 2020.
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Come si può portare sulla Terra il prodotto estratto?
• Attraverso navette a razzi chimici: 1. Come il ritorno di Apollo!
• Attraverso lanciatori cinetici dalla Luna: 1. Lancio da catapulta elettrica dalla Luna verso la Terra.
2. Frenata in atmosfera terrestre e paracadute.
• A tre steps: 1. razzi chimici (idrogeno/ossigeno) dalla luna all’orbita
lunare.
2. Razzo elettrico da orbita lunare a orbita terrestre (con molte orbite di accelerazione).
3. Frenata in atmosfera terrestre e paracadute.
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Catapulta lunare
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Le 10 fonti energetiche del futuro
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Grazie a tutti! Ci vediamo di nuovo qui, Martedì 10 ottobre
alle 21, con:
In missione sulla Luna con il progetto Apollo.
Un’avventura epocale descritta a due voci e vissuta nei minimi dettagli, spesso inediti, che hanno caratterizzato e concluso la “corsa allo spazio”.
Relatori : Davide Borghi e Ciro Sacchetti.
