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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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.

 

Marte dà il benvenuto al suo nuovo satellite

Il 19 Ottobre 2016 la missione ExoMars, in collaborazione tra Europa e Russia è giunta a destinazione, portando il satellite Trace Gas Orbiter (o TGO) e un lander sperimentale, chiamato Schiaparelli. Non tutto è andato proprio come previsto ma, come hanno detto i vertici dell’ESA in una conferenza stampa, la missione è comunque un successo.

La buona notizia è che TGO è entrato perfettamente nella sua orbita prestabilita. Da lì annuserà l’atmosfera marziana in cerca, tra le altre cose, di tracce di vita sul pianeta. Servirà anche come stazione intermedia per le comunicazioni con missioni sulla superficie: i due rover della NASA attualmente su Marte, e quello che l’ESA stessa pianifica di mandare nel 2020.

Molta dell’attenzione sulla missione, però, si concentrava sul modulo Schiaparelli. La sonda aveva un carico scientifico limitato, e serviva soprattutto come prova generale della procedura di atterraggio automatica (magari da usare per la parte della missione nel 2020).

Il centro di controllo ha perso il contatto con la sonda circa un minuto prima del previsto atterraggio. Fortunatamente, il modulo aveva mandato regolarmente tutti i suoi dati fino ad allora, e i tecnici sono al lavoro per ricostruire l’accaduto.

Pare che i razzi che avrebbero dovuto rallentare gli ultimi chilometri della discesa abbiano avuto un guasto, lasciando il lander in caduta libera. Le immagini raccolte dal satellite Mars Reconnaissance Orbiter della NASA sembrano mostrare prove di uno schianto sulla superficie di Marte. [Successive analisi confermeranno poi queste ipotesi]

Nonostante il fallimento, Schiaparelli era un modo per l’ESA per tastare il terreno in vista di atterraggi futuri. TGO, invece, con il suo immenso carico scientifico e la sua importanza strategica è un importante passo avanti verso Marte.

 

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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

Benvenuti su Giove!

Come si sono formati i pianeti? Dove hanno preso gli ingredienti per la vita, come carbonio e azoto, che piacciono così tanto a noi terrestri? Queste sono alcune delle grandi domande che la sonda Juno della NASA affronterà sbirciando per la prima volta tra le nubi di Giove.

Suonerà strano, ma non sappiamo praticamente nulla di cosa succede all’interno della cosa più grande del sistema solare (che non sia il Sole). Quando in Europa erano le prime ore del 5 luglio, dopo quasi cinque anni di viaggio spaziale, Juno ha eseguito la manovra per entrare nell’orbita del pianeta, dove rimarrà a fare scienza fino al 2018.

Attraverso piccole variazioni nel campo gravitazionale del pianeta, gli scienziati potranno controllare se il gigante gassoso sia elio e idrogeno fino in fondo o se invece nasconda un cuore roccioso. Studiando l’incredibile campo magnetico di Giove (circa 20mila volte più intenso di quello terrestre), faremo luce sui suoi strati più profondi, dove l’enorme pressione fa accalcare l’idrogeno fino a farlo comportare come un metallo.

Osservando le microonde che irradiano dal pianeta, capiremo di più sulla composizione della sua atmosfera (soprattutto su nubi acquose nascoste), e su quanto profonde siano quelle strisce che vediamo sulla superficie.

Impareremo quando e come si sia formato Giove, se sia sempre stato nella sua orbita attuale, o se ci sia arrivato partendo dalla periferia del sistema solare. A sua volta, questo ci racconterà della formazione del sistema solare e dell’infanzia della Terra.

Ma Juno non è solo lavoro. A bordo della sonda ci sono una placca commemorativa per Galileo—il primo ad osservare le quattro lune maggiori di Giove—tre omini LEGO (raffiguranti il dio Giove, sua moglie Giunone, a cui è intitolata la missione, e Galileo) e uno speciale strumento chiamato JunoCam: una telecamera che fotograferà porzioni di superficie decise con un voto online.

Potete partecipare alla discussione per scegliere gli obiettivi e (tra un po’) votare il vostro preferito sul sito della missione!

Per saperne di più

Questo articolo è apparso originariamente su TheMunichEye.com (c) The Munich Eye. All rights reserved.

Foto copertina: NASA/JPL-Caltech

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