EM drive: il futuro impossibile dei trasporti spaziali

Arrivare su Marte sarebbe figo, certo. Anche esplorare lo spazio. Ma finché non migliora la tecnologia dei nostri razzi, non andremo proprio da nessuna parte.

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Cos’è il grafene

Volete vincere un Nobel e scoprire un materiale con praticamente tutte le proprietà migliori? Prendete una matita e un rotolo di scotch. Sul serio.

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Fenomenali poteri cosmici e minuscolo spazio vitale

Non sarebbe bellissimo portare l'universo in laboratorio? L’astronomia è una delle parti della fisica che più catturano la fantasia. Svelare i misteri dell’universo, d’altra parte, è indubbiamente affascinante. Purtroppo galassie e buchi neri non collaborano agli esperimenti.

Un gruppo di fisici, che fa capo all’Università Federico II di Napoli, sta lavorando ad una soluzione.

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Le superfici auto-pulenti

Per secoli abbiamo avuto sotto il naso (almeno quelli di noi che hanno foglie di loto attorno) il segreto per superfici perpetuamente antimacchia. Ma grazie alla fisica stiamo scoprendo come non pulire mai più, non importa cosa rovesciamo.

La chiave di tutto è come fa l’acqua ad attaccarsi, insomma, come fa la roba a bagnarsi.

Le molecole d’acqua sono fatte di idrogeno ed ossigeno. L’ossigeno ama gli elettroni e costringe i piccoli idrogeni che ha attorno a passarglieli. In questo modo la molecola acquista una piccola carica elettrica negativa da un lato ed una positiva dall’altro.

La densità media degli elettroni in una molecola d’acqua. L’ossigeno ci tiene ai suoi ed è avido di quelli degli altri, perciò tende ad avere più carica attorno. credit: Lawrence Livermore Laboratory

Avvicinandosi ad una superficie dal lato dell’ossigeno, la molecola d’acqua spinge un pochino via gli elettroni del materiale della superficie (e l’opposto avviene se si avvicina dal lato dell’idrogeno). La superficie prende temporaneamente una piccolissima carica opposta, che attrae immediatamente l’acqua. Insomma, la roba si bagna per via dell’elettricità.

CC-BY-NC-ND Thomas, via Flickr.

Ma le molecole d’acqua stanno attaccate anche tra loro. Se questa forza è più forte di quella che le attacca alla superficie, si appallottolano in una gocciolina e rotolano via. I materiali che creano questo fenomeno si chiamano idrofobici, che significa “ che temono l'acqua“… anche se sarebbe più corretto dire che è l’acqua a temerli!

Rivestimenti speciali, come quelli delle padelle antiaderenti possono rendere una superficie idrofobica. Ma c’è una via migliore— quella della fisica

Prendete una foglia di loto: è coperta di gobbette e creste, piccole fino a pochi atomi. Le gocce d’acqua non hanno abbastanza contatto da potersi attaccare bene, perché toccano solo la cima di poche gobbette. Semplificando un po’, questo fa sì che la coesione all’interno della goccia “vinca”, tenendola appallottolata. Rotolando via, poi, raccatta tutto lo sporco che trova.

Uno schemino di come una goccia d’acqua sta sulla microstruttura di una foglia di loto.

Studiando queste foglie, gli scienziati hanno scoperto il trucco e l’hanno usato per creare materiali con gobbette e creste simili. Con questi materiali che non si bagnano e non si sporcano mai si possono fabbricare strumenti chirurgici che non si sporcano di sangue o gabinetti che non serve pulire, risparmiando acqua in posti dov’è scarsa.

Per saperne di più
  • Questo post è parte di una serie in corso sulle forze molecolari e come si bagnano le cose. Trovate gli altri episodi qui
  • In realtà, anche la forma delle gocce d’acqua è importante: le foglie di loto, col vapore, si bagnano tantissimo
  • Leggendo in giro ho trovato questo coltello idrofobico che taglia l’acqua. Che figata è?!

 

Foto copertina: CC0 yang pin/pixabay

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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Perché i razzi sono dipinti a quel modo?

Qualche mese fa, durante una pausa ad una conferenza, ho incontrato un’interessantissima giovane ingegnere*. Mi ha raccontato che lavorava per SpaceX (quelli di Elon Musk, coi razzi riutilizzabili), e in particolare nel team che si occupa di verniciare i razzi. Non abbiamo parlato a lungo, per cui mi è rimasta un po’ la curiosità: veramente serve un team di ingegneri per verniciare un razzo?

A quanto pare, è sempre servito.

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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.

 

(c) The Munich Eye, all rights reserved.

Foto copertina: Anna Jimenez Calaf/Unsplash.com

Il computer che impara la metropolitana

Come si va dalla stazione di Moorgate a Piccadilly Circus a Londra?

Here, let me help you.

Ecco la mappa: calcolate!

Sembrerà facile (oppure no? la metro di Londra è intricata), ma è una domanda praticamente impossibile per un’intelligenza artificiale. O almeno lo era prima che Google DeepMind (che impiega più di qualche fisico) sguinzagliasse il suo Differentiable Neural Computer (DNC). Secondo gli scienziati di DeepMind, le reti neurali sono bravissime a riconoscere schemi e calcolare la cosa migliore da fare in una data situazione (come ha fatto il loro AlphaGo). Però non sono capaci di mettere assieme sequenze complesse di azioni perché non sanno ricordare.

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Una rappresentazione del DNC: la rete neurale al centro raccoglie i dati che arrivano da sinistra, li immagazzina a destra dove può collegarli con altri che aveva già. Poi può combinarli per produrre la risposta (in basso). Credit: DeepMind

tumblr_nklw7hj3o51t55xupo1_400Volendo potremmo immaginare i dati come ingredienti e la rete neurale come un cuoco un po’ limitato, che può lavorarci solo in sequenza. Perciò non può preparare la pasta per una crostata e metterla da parte mentre fa il ripieno. Chef DNC invece sì: mette la pasta in memoria, fa il ripieno poi finisce.

Anche se non ce ne rendiamo conto, quando pianifichiamo un viaggio in metro immagazziniamo, rielaboriamo e colleghiamo informazioni di continuo. Ad ogni fermata dobbiamo decidere: rimaniamo sulla linea? scendiamo? cambiamo? Poi dobbiamo tener a mente da dove venivamo, dove siamo, e dove stiamo andando. E DNC fa proprio così.

Capirai—si dirà—ci sono app della metro navigatori che lo fanno da anni! Vero, e probabilmente lo fanno meglio. Però sono stati programmati apposta per quello e non sanno fare altro.

DNC no: ha imparato a calcolare percorsi, iniziando da gruppi di punti connessi a caso (grafi, se vogliamo esser pomposi). Una volta memorizzate le diverse connessioni (chi è collegato con chi, in che modo), gli veniva chiesto di calcolare il percorso più breve tra due punti e, di volta in volta, gli si diceva se la risposta era corretta.

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Un esempio di punti connessi a caso, tipo quelli con cui si è allenato DNC—solo quelli erano molto più complicati!

Una volta imparato, DNC è riuscito a gestire la mappa della metro di Londra—che assomiglia molto ad un grafo casuale—, ma potrebbe guidarci altrettanto facilmente sui mezzi pubblici di Milano, o pianificare la soluzione ad un piccolo puzzle o rispondere domande complicate su alberi genealogici.

Questo video, ad esempio, mostra DNC che memorizza le connessioni in una famiglia (chi è figlio o fratello di chi) e poi risponde alla domanda “chi è il prozio materno di…?” Ammetto di averci messo un pochino per interpretare la domanda. E sono un umano ragionevolmente competente: provate a chiederlo al vostro navigatore satellitare!

Spesso in intelligenza artificiale, non è importante cosa sappia fare il computer, quanto cosa possa imparare. E DNC ha dimostrato di poter imparare un sacco!

 

Foto copertina: I think we got out at the wrong station, CC-BY-NC-ND The Hamster Factor, via Flickr. Some rights reserved.

Per saperne di più
  • L’articolo su Nature dove viene presentata la scoperta, con dettagli in più su com’è fatto DNC e com’è stato addestrato.
  • Un post sul blog di DeepMind che, in parole più semplici, presenta DNC
  • Volete vedere DNC che risolve uno tra tanti compiti su un piccolo puzzle? eccovi serviti con un video!

Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

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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”.

 

(c) The Munich Eye, all rights reserved.

Foto copertina: CC0 Anthony Rossbach, via unsplash.com