Perché LIGO ha vinto

Il Nobel per qualcosa di legato all’osservazione delle onde gravitazionali era una questione di quando più che di se. Ad ogni modo, si poteva sostenere che fosse troppo presto (ehm…): dopotutto le onde gravitazionali non erano proprio una sorpresa. E invece…

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La crescita che congela il cambiamento (nei batteri)

Quando pensiamo all’evoluzione, di solito pensiamo alla selezione naturale, la sopravvivenza del più adatto. Ma non finisce lì. Forze primordiali stanno in agguato sullo sfondo. E quando sparisce la selezione, sono finalmente libere.

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Banchi di robot seguono la corrente e svelano i misteri dell’oceano

Il 70% della superficie terrestre è coperta dagli oceani. Eppure, rimangono un mistero: abbiamo mappe più dettagliate della superficie di altri pianeti che del fondo del mare, e sappiamo ancora meno dei meccanismi in moto nell’intricato sistema oceanico.

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Le 5 migliori storie di fisica (e dintorni) del 2016

Il 2016 non è stato necessariamente un grande anno in generale, ma lo è stato per la scienza. Un anno piuttosto ricco di scoperte: annunciate, mancate, sorprendenti.

Dall’esplorazione del sistema solare alle frontiere dell’intelligenza artificiale, dall’atomicamente piccolo all’immensamente grande, è stato un anno movimentato!

Ecco la mia personale top five dell’anno, con un po’ di link per approfondire o andare a rinfrescarsi la memoria.

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La rivoluzione energetica passa dal riciclo delle terre (non proprio) rare

Durante la rivoluzione industriale il progresso era fatto d’acciaio, il ventesimo secolo era l’era di Mylar, Duraplex e le altre plastiche dai nomi creativi.

Oggigiorno, il progresso è fatto di elementi come neodimio e lantanio, che paiono usciti da un libro di fantascienza.

Questi ed altri elementi, chiamati terre rare, stanno in una di quelle righe appese un po’ così in fondo alle tavole periodiche. Grazie alla loro grande reattività, resistenza, ma anche alle loro proprietà elettriche e magnetiche, le terre rare hanno in mano le chiavi della rivoluzione delle energie rinnovabili.

Prendete ad esempio le turbine eoliche. Spinta dal vento, la turbina fa girare una bobina di metallo circondata da magneti. Muovendosi, la bobina genera una corrente al suo interno, come la dinamo di una bici. Più forti sono i magneti che le stanno attorno, più elettricità si può generare, e i magneti al neodimio (una terra rara) sono i più intensi in circolazione. In ciascun impianto eolico si trovano letteralmente tonnellate di neodimio.

Ma non finisce coi magneti: il lantanio è usato nelle batterie ricaricabili di molte auto ibride o elettriche, le lampade fluorescenti (“al neon”, per capirci) sono foderate di europio e itterbio, i dispositivi elettronici usano tutta una serie di questi elementi, e la lista continua.

Come suggerisce il nome, le terre rare si estraggono dal terreno ma, al contrario di quello che si può pensare, non sono affatto rare: sono più comuni—in numeri assoluti—dell’oro. Più che rare sono sparse, in piccole concentrazioni, un po’ dappertutto. Sulla spinta del grande interesse per queste materie prime, c’è un’attivissima caccia a nuovi depositi, dove è possibile trovarle (solitamente tute assieme) in concentrazioni un po’ più elevate.

Tuttavia, estrarre terre rare ha un impatto ambientale elevatissimo. Secondo Eric Schelter, professore di chimica alla University of Pennsylvania, queste operazioni consumano tantissima energia, e possono generare rifiuti tossici e radioattivi: “L’impatto complessivo dell’estrazione è peggiore per i minerali di terre rare che per altri—dice—sebbene cambi a seconda del tipo di minerale”.

Non sorprende, quindi, che i ricercatori cerchino anche soluzioni che non richiedano miniere. Ad esempio, estrarre i materiali dagli scarti di raffinamento di altri metalli, oppure dalla cenere delle centrali a carbone. O ancora, come ha proposto il gruppo del Prof. Schelter in uno studio, riciclarli. “Le materie prime nei nostri cellulari o auto elettriche hanno un enorme costo energetico ed ambientale, ma non si esauriscono: in linea di principio potrebbero essere usate indefinitamente”, dice.

Anche quando le ricicliamo, separare le terre rare dagli altri materiali non è ad impatto zero. Però, secondo il Prof. Schelter, ogni applicazione usa solo alcune specifiche terre rare per volta, così gli scienziati potrebbero sviluppare processi più semplici e mirati ad estrarre un elemento in particolare.

Il problema più importante, dice, è che riciclare è un lavoro molto costoso per un materiale relativamente economico: “I materiali estratti sono sempre economici: le nuove tecnologie (chimiche ed ingegneristiche) servono solo a rendere il riciclo più competitivo in termini di prezzi”.

Prima di poter annunciare una vera rivoluzione energetica, ce ne servirà una nella produzione di questi elementi preziosi, anche se non così rari.

 

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Foto copertina: Anna Jimenez Calaf/Unsplash.com

Quanto manca? Il lungo viaggio verso marte

Siamo davvero così vicini al grande passo verso Marte? Recentemente, il successo solo parziale dell’atterraggio di Schiaparelli è stato un severo richiamo a quanto il Pianeta Rosso sia una realmente una destinazione difficilissima.

Ironicamente, nelle settimane prima dell’evento, molta dell’attenzione era concentrata su piani per portare persone su Marte. Una delle ragioni era un ottimistico articolo di Barack Obama sul sito di CNN, in cui anticipava che la NASA vorrebbe portare astronauti su Marte, e riportarli a casa in sicurezza, nei prossimi 20-25 anni e “un giorno rimanere per tempi più lunghi (l’ESA si è data scadenze simili).

L’altra ragione era un pubblicizzatissimo discorso di Elon Musk—tra le tante cose, fondatore e presidente di SpaceX, la più grande compagnia privata di trasporti spaziali—alla International Astronautical Conference: un’ambiziosa proposta per trasformare l’umanità in una specie interplanetaria. Cominciando da Marte in una decina d’anni “se tutto va benissimo”, dice.

Tuttavia, una missione con equipaggio verso Marte presenta un’enormità di ostacoli, a cominciare dal fatto che Marte è lontano—molto molto lontano.

Il primo problema sono i razzi. Le capsule spaziali che trasportano persone sono grandi e pesanti: per l’atterraggio sulla Luna si usò il Saturn V, il più grande e potente razzo mai costruito. Marte è più di cento volte più lontano della Luna, e i razzi che abbiamo proprio non ce la fanno.

In un’intervista del 2015 con Neil deGrasse Tyson, l’astronauta Chris Hadfield ha paragonato pianificare un viaggio su Marte con la nostra tecnologia a pianificare voli di linea per l’Australia negli anni Venti. Al tempo, anche solo attraversare l’Atlantico—un viaggio lungo meno di metà—era un’impresa storica. Per diventare quotidiano, il trasporto aereo transoceanico doveva aspettare il passaggio dai motori ad elica a quelli a reazione. Secondo Hadfield, ai viaggi spaziali serve una rivoluzione altrettanto radicale per portarci su Marte.

La NASA, l’ESA e SpaceX stanno tutte sviluppando nuovi motori e razzi per carichi pesanti, ma nessuno è ancora pronto. Il razzo Falcon Heavy di SpaceX dovrebbe finalmente arrivare nel 2017, lo Space Launch System della NASA dovrebbe essere lanciato nel 2018, dopo innumerevoli critiche, ritardi e problemi di budget.

Poi c’è il problema dei mesi di viaggio nello spazio, anche assumendo che riusciamo a sparare un veicolo verso Marte a velocità ragionevoli. Finora astronauti e cosmonauti hanno viaggiato solo qualche giorno in piccolissime capsule (come la Soyuz, che contiene a malapena le tre persone dell’equipaggio), che indubbiamente non possono ospitare persone per mesi.

Samantha Cristoforetti all’interno di una capsula Soyuz durante degli esami a terra. via Twitter

In questo campo, la NASA è decisamente in vantaggio: il veicolo Orion—che stanno testando—è progettato proprio per viaggi interplanetari. SpaceX, invece, è appena entrata in campo: una loro capsula dovrebbe portare per la prima volta astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale nel tardo 2017.

Anche se mettessimo persone su Marte, avrebbero bisogno di un qualche genere di insediamento. Nessuno si è mai accampato su un altro pianeta. Mai. Da nessuna parte. Ci sono progetti per unità abitative per astronauti, ma non siamo ancora alla fase di test. Sia la NASA che l’ESA hanno piani per basi lunari, in parte come test per la colonizzazione interplanetaria, ma potrebbe volerci un po’.

Ma la tecnologia non è l’unica sfida: cosa mangeranno i coloni marziani? Come gestiranno situazioni di emergenza se il dialogo con la base ha un ritardo di 13 minuti? Subiranno danni cerebrali dal viaggio?

Insomma, non siamo proprio sul punto di metter piede su Marte.

Dobbiamo ancora imparare e testare, se non addirittura costruire, molto. Molti dei passi che dovremo fare non sono mai stati fatti prima. Ma questo non vuol dire che siano impossibili.

Dopotutto, come ha scritto Obama, questa impresa è frutto di “curiosità ed esplorazione, innovazione ed ingegno, [di] spingere i limiti di quello che è possibile e farlo prima di chiunque altro”.

Se qualcuno può farsi carico di questa formidabile impresa, quelli sono la NASA, l’ESA e SpaceX. Finché continueranno ad avere un supporto adeguato e ad attrarre tante delle nostre menti più brillanti, sarà solo questione di tempo.

Aspettiamo i passettini della scienza, mentre non vediamo l’ora di vedere le nostre impronte su Marte!
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Foto copertina: NASA/MSFC, via Wikimedia Commons.

 

E se il Nobel non lo vincessero le onde gravitazionali?

Aggiornamento del 3 ottobre 2017: Rainer Weiss, Barry C. Barish, e Kip S. Thorne hanno vinto il premio Nobel per la fisica per “i loro contributi fondamentali alla costruzione del rivelatore LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali” (Qui il comunicato del comitato per il Nobel). Se invece volete leggere perché pensavo si potesse ancora aspettare, continuate a leggere.

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La foglia artificiale per l’energia a emissioni zero

L’anidride carbonica (CO2) è probabilmente il più famigerato nemico della nostra atmosfera. Siccome è un potente gas serra, contribuisce pesantemente al riscaldamento globale, l’acidificazione degli oceani e tutto quello che ne consegue. Quindi è comprensibile che gli scienziati abbiano provato diversi sistemi per ridurne la concentrazione, da seppellirla sotto terra a (con un successo sorprendente) trasformarla in roccia. L’unico modo per mantenere i livelli di CO2 sotto controllo in maniera continuativa, però, resta semplicemente produrne meno.

In uno studio pubblicato su Science, un gruppo di scienziati della University of Illinois di Chicago (UIC) e dell’Argonne National Laboratory hanno affrontato il problema con un sistema che, letteralmente, cresce sugli alberi. “Una foglia converte anidride carbonica in zuccheri usando l’energia del Sole”, dice Amin Salehi-Khojin, Assistente Professore al Laboratorio di Nanomateriali e Sistemi Energetici della UIC e autore senior dello studio. “Noi abbiamo costruito una foglia artificiale che usa la stessa energia del Sole per convertire CO2 in syngas—un misto di gas che si può facilmente trasformare in diesel o altri carburanti”. Il tutto senza bisogno di ulteriore energia dall’esterno.

Secondo Salehi-Khojin, le prospettive per le foglie artificiali sono esaltanti. Pensate di collegare un campo di pannelli solari con queste foglie artificiali ad una normale centrale termoelettrica, dice: “La centrale brucia carburante per trarne energia, liberando anidride carbonica. Le foglie la assorbono direttamente dallo scarico e la trasformano in carburante che la centrale può bruciare di nuovo”. Un ciclo del genere azzera le emissioni di CO2 della centrale, senza bisogno di sostituire tutti i macchinari esistenti.

Generare qualsiasi cosa dall’anidride carbonica, però, non è affatto facile perché il gas è famosamente poco reattivo. Durante la fotosintesi naturale, enzimi specializzati hanno il compito di facilitare le reazioni. La foglia artificiale, invece, usa piccolissimi fiocchi (sono larghi appena qualche centinaio di atomi) di un materiale a base di tungsteno. Economico ed efficace, questo materiale è la vera innovazione di questa foglia artificiale. La sua potenza è tale che la foglia immagazzina nel carburante l’equivalente del 5% dell’energia che riceve dal Sole, un risultato impensabile usando materiali normali e più costosi (come argento e platino), e che perfino le piante più efficienti raggiungono a malapena.

Secondo gli scienziati, poi, la foglia artificiale non sta nemmeno lavorando a pieno regime. Per raccogliere l’energia dalla luce, la foglia usa celle fotovoltaiche—lontane cugine di quelle delle calcolatrici, per capirci—che sono relativamente inefficienti. Se le celle raccogliessero meglio l’energia, dicono, ci sarebbero già ora risultati migliori, senza bisogno di ulteriori modifiche.

La ricerca sulle foglie artificiali traccia una strada per un futuro fatto di energie pulite di cui abbiamo disperatamente bisogno. E potrebbe non essere poi così lontano. Secondo Salehi-Khojin, infatti, i primi prototipi su scala industriale potrebbero arrivare in pochi anni. “Ma ci serve una stretta collaborazione con l’industria” dice. “La chimica funziona, dobbiamo solo realizzarlo su scale più grandi, e ottimizzare il progetto e il processo produttivo”.

 

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Foto copertina: CC0 Anthony Rossbach, via unsplash.com

Tre curiosità estive (e mezza)

Perché non ci si abbronza dietro al vetro

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Dal sole ci arriva luce di ogni colore, anche quelli che non esistono. Prendiamo i raggi ultravioletti (o UV) che, come suggerisce sottilmente il nome, hanno una lunghezza d’onda più corta del viola. Questa luce è più viola del viola, che però è l’ultimo colore che siamo in grado di vedere: niente colori UV per noi.

I raggi UV possono danneggiare cellule, che si proteggono producendo melanina per proteggersi. Più melanina si ha, più la pelle è scura. Chi non ne produce tanta di suo può stimolarla mettendosi al sole, abbronzandosi.

Il vetro l’abbiamo inventato e perfezionato per vederci attraverso: ci interessava la luce visibile. Ma il fatto di essere trasparente cambia a seconda della lunghezza d’onda della luce. E infatti la luce UV non attraversa bene il vetro.

Meno luce UV vuol dire che la nostra pelle si preoccupa meno, e quindi non si abbronza.



Raffreddamento estremo coi laser

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Quando pensiamo ai laser, probabilmente pensiamo a laboratori, scintille, fumo, pistole laser, spade laser… Il freddo, insomma, non è in cima alla lista. Ma per raffreddare davvero qualcosa (e intendo vicino allo zero assoluto), il laser è uno dei modi migliori.

Se si va a vedere nel profondo della fisica, la temperatura esprime quanto veloce si stanno muovendo le cose. Ad esempio, l’aria in una stanza è fatta di tante molecole che si muovono di continuo, qualcuna più veloce, qualcuna meno. Più alta è la temperatura dell’aria, più alta è la media di queste velocità. Viceversa, meno si agitano le molecole, più bassa è la sua temperatura.

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Solitamente raffreddiamo le cose mettendole a contatto con qualcosa di più freddo, e il rallentamento delle particelle arriva (in un certo senso) di conseguenza. Ma coi laser è diverso.

Semplificando molto, ci sono tre coppie di laser che si incontrano in un punto, dove abbiamo messo gli atomi da raffreddare. Perciò, se un atomo si muove in una certa direzione, va per forza incontro ad almeno un fascio laser, che è stato preparato in modo da cedergli un pochino di energia, spingendolo indietro.

Così ogni atomo è obbligato a stare praticamente fermo, e il gruppo di atomi si raffredda.

 

Perché il ventilatore fa fresco

CC-BY-SA haru__q/flickr.com.

 

Per lo stesso motivo per cui soffiare sul brodo lo raffredda. Ma andiamo in ordine.

Quando fa caldo sudiamo.

Le molecole di acqua nel sudore si agitano—qualcuna più veloce, qualcuna meno—e si scontrano tra loro di continuo. Quanto veloci vanno, come abbiamo visto, c’entra con la loro temperatura.

Deboli forze tra una molecola e l’altra le tengono vicine, e così l’acqua resta liquida. Ogni tanto, però, una molecola molto veloce può riuscire a sfuggire a queste forze, evaporando. La velocità media delle molecole rimaste indietro si abbassa, e così anche la loro temperatura.

Le molecole evaporate, tuttavia, non vanno molto lontano, così possono essere “catturate” dal liquido, rientrando nel gruppo. La superficie di ogni microscopica gocciolina di sudore, quindi, è un continuo andirivieni.

Il ventilatore soffia via le molecole evaporate, che così non possono essere ricatturate, sbilanciando il delicato equilibrio della superficie. In questo modo, sempre più molecole lasciano definitivamente le gocce di sudore, si portano via del calore e raffreddano la nostra pelle. Che è anche il motivo per cui il brodo si raffredda soffiandoci su.

… e perché l’afa peggiora il caldo

L’idea è la stessa del ventilatore, ma al contrario.

Più l’aria è umida, più acqua contiene. Perciò è anche più probabile che molecole d’acqua vengano catturate dalle gocce di sudore. L’equilibrio della superficie si sposta nell’altra direzione, il sudore evapora lentamente e il caldo ci resta addosso più a lungo.

 

Per saperne di più
  • Un sito di fotografia spiega quello che ci perdiamo a non vedere gli UV
  • Una simulazione interattiva per capire meglio la faccenda movimento-temperatura
  • La spiegazione più precisa del raffreddamento laser sul sito dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Il grande Richard Feynman spiega più in dettaglio la storia del brodo e dell’evaporazione
  • Due cose in più su Sole, abbronzatura e scottature
Amorefisico va in vacanza! Ci risentiamo il 9 settembre
Buone vacanze!

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

LIGO ha trovato le onde gravitazionali

“Signore e signori, abbiamo misurato le onde gravitazionali. Ce l’abbiamo fatta!” Questo è lo storico annuncio con cui il Prof. David Reitze, direttore esecutivo di LIGO (l’osservatorio a interferometria laser per onde gravitazionali, o Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, con sedi a Harford e Livingston negli Stati Uniti) ha fatto partire la conferenza stampa di giovedì scorso.

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