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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Il felice incidente che apre la strada per incredibili batterie del futuro

Chi non vorrebbe un telefono sottile, che rimane carico per giorni e mantiene la durata della batteria per anni? Ma le batterie grosse e che non durano nel tempo zavorrano molte tecnologie, al di là dell’elettronica quotidiana, dalle auto elettriche alle centrali fotovoltaiche ed eoliche.

La nanotecnologia ha mostrato sprazzi di una soluzione: le batterie a nanofili, tuttavia ci sono ancora grossi ostacoli da superare. Anzitutto, questi apparecchi futuristici sono ancora molto fragili e inaffidabili. Ma, grazie al lavoro di Mya Le Thai—dottoranda nel laboratorio del Prof Reginald Penner all’Università della California-Irvine—ora abbiamo un metodo promettente per farle durare virtualmente una vita.

Il nocciolo del funzionamento di una batteria è usare reazioni chimiche per trasferire elettricità tra pezzi di materiale conduttore (gli elettrodi) e una soluzione elettrolitica (essenzialmente, un liquido in cui sono disciolti dei sali). Al posto degli elettrodi, le batterie ai nanofili usano migliaia di fili conduttori, ognuno più sottile del filo di una ragnatela. Perciò le reazioni chimiche hanno un sacco di posto a disposizione, anche in piccole batterie. “Il vantaggio principale dei nanofili per lo stoccaggio dell’energia è l’incredibile rapporto superficie:volume, che permette di ottenere un’altissima potenza (ovvero corrente)”, spiega Penner.

Ma, aggiunge, questa potenza ha un costo: “Questa enorme superficie amplifica anche l’effetto di tutti quei processi chimici che erodono la superficie dei fili”. Infatti le reazioni chimiche che danno energia alla batteria sono le stesse che ne consumano gli elettrodi. Così una batteria può passare tra essere scarica e carica solo un certo numero di volte (qualche centinaio di solito) prima di perdere capacità. Che è poi il motivo per cui, ad esempio, i cellulari restano carichi sempre meno man mano che invecchiano.

Per i nanofili è anche peggio: non solo sono più soggetti alla corrosione, come diceva Penner, ma l’elettricità che gli passa attraverso li sforza molto più di quanto farebbe con massicci elettrodi. Perciò, dopo qualche migliaio di cicli di carica-scarica, i fili sono consumati e corrosi e si spaccano. Quando succede, la batteria è completamente inutilizzabile.

Thai stava lavorando su nanofili d’oro rivestiti di ossido per fare dei condensatori, aggeggi in un certo modo simili a batterie con due poli positivi, che immagazzinano carica elettrica senza usare reazioni chimiche. Perciò possono essere caricati e scaricati molto rapidamente. Con sua (e di tutti) sorpresa, gli apparecchi con cui lavorava Thai duravano centinaia di volte più a lungo del normale. Racconta Penner: “Eravamo entrambi esterrefatti quando ha iniziato a provarli e la capacità non è diminuita dopo 10mila cicli, poi 20mila, e infine (settimane dopo) 100mila cicli. A quel punto abbiamo smesso, sebbene i condensatori non avessero mostrato nessuna perdita di carica. Magari l’avessimo programmato!”

I ricercatori hanno riportato la loro scoperta in un articolo pubblicato su ACS Energy Letters. La chiave sembra fosse usare un gel invece di liquido per la soluzione elettrolitica, ma loro stessi ammettono di non avere le idee molto chiare sul perché. Secondo loro, il gel ridurrebbe lo stress meccanico sui fili e, allo stesso tempo, preverrebbe la corrosione: “Pensiamo faccia entrambe le cose”, dice Penner, “il gel ammorbidisce o plastifica il rivestimento, prevenendo le rotture, ma sembra anche rallentare la corrosione in un modo che non abbiamo ancora ben capito”.

Secono Penner, servirà ancora molto lavoro per valutare la fattibilità di batterie basate sui nanofili. Soprattutto, non è ancora chiaro come collegare la miriade di microscopici fili ai due poli della batteria. E usare fili rivestiti, come hanno fatto loro, va bene in laboratorio ma non sarebbe fattibile a livello industriale.

Ciononostante, lo studio mostra che i nanofili possono davvero essere la strada per incredibili batterie leggere e durevoli!

 

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Foto copertina: Steve Zylius/UCI

5 cose da tener d’occhio nel 2016

Il 2015 è stato un altro bellissimo anno di fisica. Anche il 2016 promette di regalarci novità esaltanti. Dai principi fondamentali della fisica all’origine dell’universo, passando per nuovi sviluppi di recenti temi caldi, ecco alcune cose che secondo me varrà la pena di seguire. In ordine sparso, in un altro post vacanziero (quindi un po’ più lungo).

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8 grandi notizie del 2015

Cosa è successo nel fantastico mondo di amorefisico nel 2015? Dai confini del Sistema Solare alle profondità subatomiche, ecco le mie 8 notizie preferite di quest’anno (più una), in un post più lungo del solito. Ma in vacanza abbiamo un po’ più di tempo.

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