Come sfruttare tutta l'enegia del sole in pochi semplici passi

Chi fu Nikolaj Kardašëv?

Già dall’inizio del 1800 gli uomini hanno cercato un modo per accumulare o generare energia. Basti pensare che solo pochi anni fa (circa 10/15) l’essere umano sta cercando di ricreare il sole sulla terra, per ottenere un quantitativo di energia tale da poter, teoricamente, far cessare la crisi energetica di questo millennio.

E’ qualcosa di fantastico pensare che se fino a 100 anni fa neanche il 15% delle abitazioni possedeva la corrente elettrica in casa, ora stiamo cercando di far cessare la crisi energetica che persiste ormai da anni.

Nella società odierna è quindi cruciale il ruolo che ha l’energia, non solo per l’economia mondiale ma anche per la sopravvivenza della nostra specie.

Proprio di questo tema si occupò un Nikolaj Semënovič Kardašëv.

Astronomo Russo nato a Mosca il 25 aprile 1932 e dopo aver conseguito il dottorato in Fisica all’Università di Mosca si specializzò in Astrofisica.

Nel 1963, durante lo studio di Quasar CTA-102 (gruppo galattico molto luminoso) per cercare tracce di civiltà extraterrestri ebbe la geniale intuizione che alcune civiltà potessero aver superato il livello di sviluppo dell’essere umano: per questo decise di dare vita ad una classificazione delle civiltà in base allo sviluppo tecnologico e alla quantità di energia che dispongono.

Nonostante questa teoria è stata ripresa in molti testi di fantascienza, è stata posta come base del progetto SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) ovvero un progetto per cercare tracce di civiltà abbastanza evolute da poter comunicare con noi mediante onde radio nel cosmo.

La scala di Kardašëv divide le civiltà in vari tipi in base a come e quanta energia riescono ad immagazzinare. Kardašëv ci descrisse, nella sua teoria, solo 3 tipi di civiltà anche se, con molta fantasia, possiamo proseguire secondo la sua tipologia di pensiero e sviluppare le nostre civiltà di tipo IV, V, VI, VII e così via.

Scala di Kardašëv

La scala di Kardašëv ci descrive le varie civiltà in base a quanto quantitativo di energia riescono a sfruttare; in base all’ordine di grandezza una civiltà sarà di tipo I, tipo II o tipo III.

In particolare abbiamo riportato qua quali sono i dati che Kardašëv ipotizzò che ogni civiltà possa utilizzare. E’ bene sempre precisare che questi dati sono puramente dei dati teorici che l'essere umano non ha ancora provato sulla sua pelle, ma che si stimano essere relativi al quantitativo di energia presente nel nostro pianeta, nel nostro sole, e nella nostra galassia.

Come già abbiamo detto, la teoria di Kardašëv si ferma alla civiltà di tipo III ma è stata negli anni ampliata con teorie abbastanza fantascientifiche: come le civiltà di tipo IV, V e VI, che secondo questi ampliamenti le civiltà dovrebbero essere in grado di controllare tutta l’energia di un ammasso di galassie (circa 10^46 Watt), l’energia di tutto l’universo osservabile (circa 10^56 Watt) e l’energia di più universi (circa 10^66 Watt).

La Terra

La civiltà umana, all’interno della scala kardashev si trova in uno stadio intermedio tra lo 0 e l’1, pertanto fu necessario introdurre una formula per calcolare anche i valori decimali:

questa fu introdotta da carl sagan, e calcola il tipo di civiltà in base all’energia annuale prodotta.

Da questa possiamo dedurre di essere una civiltà di tipo 0.724, si potrebbe pensare che siamo abbastanza vicini a diventare una civiltà di tipo 1, ma ciò è solo per via della scala logaritmica, una civiltà di tipo uno, infatti, necessita di più di 2000 volte l’energia che produciamo attualmente, il che vorrebbe dire che con questa scala(indico il grafico), una civiltà di tipo uno avrebbe un grafico più alto del burj khalifa.

Secondo alcune stime, la nostra diventerà una civiltà di tipo uno intorno al 2200, a meno di eventi catastrofici.

Per evitarli è necessario però che la nostra produzione di energia si discosti il più velocemente possibile dalle fonti non rinnovabili, che sono utilizzate per circa l’80% della produzione mondiale.

Facendo ciò però rallenteremo inevitabilmente la crescita energetica attuale, aumentando il tempo necessario per diventare una civiltà di tipo 1.

Civiltà superiori a 1

Nell’universo noi non abbiamo conoscenza di alcuna civiltà oltre alla nostra, perché ciò?

Questo è chiamato paradosso di fermi, e, sebbene non possegga alcuna soluzione, esistono alcune motivazioni possibili per cui non abbiamo trovato alcuna civiltà aliena:

1. Non esistono, potremmo essere l’unica civiltà ad essersi generata

2. Non sono abbastanza sviluppate, potremmo essere i primi ad aver raggiunto questo stadio di avanzamento

3. Sono troppo lontane

4. Hanno provato a contattarci ma non abbiamo le tecnologie sufficienti

5. Non sono rilevabili perché utilizzano tutta l’E a loro disposizione e quindi non ci arriva nessuna informazione

In particolare esistono alcuni indizi che implicherebbero la possibile, se non probabile esistenza di civiltà aliene:

Tra centinaia di migliaia di stelle osservate, dal satellite Gaia, per sette di loro è stato rilevato un eccesso anomalo di raggi infrarossi, che potrebbe essere causato dalla costruzione (finita o working progress) di sfere di dyson.

In particolare questi sono:

KIC 8462852

HD 140283

Vega

GJ 273

Epsilon Eridani

Tau Ceti

Zeta Reticuli

Mentre possibili civiltà di tipo 3 si possono cercare in base alle assenze di energia che teoricamente dovremmo trovare e che però non è presente:

si tratta del caso del “Vuoto di Bootes”, una regione di spazio pseudosferica con diametro di circa 250 milioni di anni luce dentro il quale sono state trovate solo poche decine di galassie.

Le galassie mancanti potrebbero essere state colonizzate da una civiltà che non si lascerebbe scappare nemmeno una minima quantità di energia luminosa.

L'energia geotermica sfrutta il calore naturale proveniente dall'interno della Terra, generato dal decadimento radioattivo di elementi nel nucleo e dal calore residuo della formazione del pianeta. Viene utilizzata per produrre elettricità (tramite centrali che sfruttano vapore o acqua calda) e per riscaldamento diretto (es. abitazioni o serre). È una fonte rinnovabile, a basse emissioni e costante, ma è limitata a zone con attività geologica elevata (vulcani, sorgenti termali) e richiede investimenti iniziali significativi. Vantaggi: sostenibilità e affidabilità; svantaggi: dipendenza da siti specifici e possibili impatti ambientali locali.

Metodi per Accumulare Energia

Abbiamo capito che l’energia è posta alla base della nostra civiltà e, forse, non solo la nostra. Ci siamo interrogati quindi quali possano essere i metodi di accumulo di energia, in maniera rinnovabile, ovvero che non può essere esaurita nel corso del tempo, di cui una civiltà si può servire.

L’energia geotermica sfrutta il calore del nostro pianeta per scaldare dell’acqua e muovere una turbina.

Lenergia nucleare, fissione nucleare, che sfrutta l'energia liberata dalla rottura di un atomo pesante bombardando con altre particelle.

Biocarburanti che possono essere prodotti da materiali organici di scarto.

Idroelettrica che sfrutta l’energia dell’acqua per far muovere una turbina andando a generare lavoro

Eolica che è simile a quella idroelettrica ma sfrutta il vento.

Infine, ma non per importanza, l’energia Solare: che sfrutta l’effetto fotoelettrico (che adesso andremo ad approfondire) per catturare energia direttamente dalla nostra stella. Questo tipo di energia è quella di cui oggi ci occuperemo principalmente.

Effetto fotovoltaico

L’energia che interessa a noi attualmente è quella solare, che possiamo sfruttare tramite delle celle fotovoltaiche, celle che si basano sull’effetto fotovoltaico:

Per costruire una cella solare è necessario prendere del Boro e del Fluoro e disporli in un semiconduttore come il silicio.

successivamente bisogna collegare le due estremità tra di loro con un circuito, e mettere la cella sotto al sole.

Così potremo vedere l’effetto fotovoltaico:

I fotoni del sole, colpendo il materiale, generano una coppia elettrone-lacuna, dove una lacuna è una quasiparticella che permette di rappresentare l’assenza di un elettrone.

Questi successivamente si dividono per via dell’energia conferitogli dal fotone, e si riannichiliscono seguendo il campo elettrico generato dai due conduttori, generando una breve differenza di potenziale che permette agli elettroni di scorrere nel circuito.

Ovviamente l’effetto è visibile perché si generano tantissimi di questi eventi alla volta e la differenza di potenziale è sufficiente ad alimentare, nel nostro caso una lampadina.

Sfera di Dyson

La sfera di Dyson è sicuramente qualcosa che può affascinare molte persone, per ora è solo un oggetto teorico, non ancora prodotto nella realtà: tutte le immagini che vi mostreremo sono quindi solo possibili interpretazioni di cosa può esistere nello spazio più remoto.

Per farmi comprendere meglio il concetto di sfera di Dyson abbiamo pensato di portarvi un piccolo modellino prodotto da noi che consiste in una unione di pannelli solari che sfruttano la luce di una lampadina per girare. Questo fondamentalmente è il concetto di sfera di Dyson.

Un’opera ingegneristica sicuramente colossale che per essere costruita necessità di tonnellate e tonnellate di materiali. Basti pensare che per costruire un opera di questo tipo attorno al sole bisognerebbe smantellare l’intero pianeta solare.

Come possiamo notare la sfera di Dyson è una gabbia che racchiude una stella per andare a sfruttare tutta la sua energia, in questo caso abbiamo voluto simularla con dei pannelli solari. Questa gabbia può essere sia un corpo solido, con delle aperture come possiamo apprezzare in questo render che permettono alle radiazioni di passare e quindi permettono la vita sul pianeta, ma anche tanti piccoli satelliti che ci girano attorno: ovvero le vele solari.

Vele solari

Una civiltà di tipo 2, per spostarsi utilizzerebbe delle vele solari,ovvero delle vele sottilissime di materiali estremamente resistenti con lati di 4/5 metri che assorbono i fotoni e in questo modo vengono accelerate.

Queste sfruttano la quantità di moto dei fotoni del vento solare, lo sciame di fotoni che arriva dal sole, come “carburante”.

I più appassionati di voi si chiederanno come sia possibile che i fotoni abbiano una quantità di moto dal momento che non possiedono la massa, ma Einstein con la formula E = mc^2 ci insegna che la massa non è altro che una forma di energia, e i fotoni possiedono energia, quindi possiamo sostituire la massa nell’equazione della quantità di moto per trovare la relazione che lega quest’ultima all’energia del fotone.

La grande differenza con le altre tecnologie è che l’accelerazione delle vele solari è di 1 mm/s^2, infima rispetto alle spedizioni precedenti, ma il vento solare è costante nel tempo, e quindi l’accelerazione è costante lungo tutta la durata del viaggio, rendendo possibili velocità prossime al 20% di c, la velocità della luce.

Questa velocità è raggiungibile a patto che la sonda sia estremamente leggera, di nuovo poiché p = mV, e ciò è possibile stampando gli strumenti di misurazione direttamente nella vela stessa attraverso processi quantistici complessi che non sto a spiegare in questo momento.

In questo modo non si dovrebbero portare strumenti in più perché la vela stessa sono gli strumenti e così facendo potremo esplorare pianeti vicino a noi in pochissimo tempo, potremo raggiungere alpha centauri, la stella più vicina a noi, nel giro di una ventina d’anni.

e in futuro potremo dire citando Dante che con la scienza, uscimmo a riveder le stelle.