L’energia solare è sempre più promettente, anche se molti pensano che si limiterà in futuro solo a riscaldare le case e a dare un po’ di elettricità alle lampadine delle aziende. In realtà uno studio recente condotto dall’ETH di Zurigo indica che il fotovoltaico può diventare potente tanto quanto le attuali fonti non rinnovabili, anche in settori industriali come la fusione dei metalli e dei materiali in generale. Recentemente sono stati raggiunti infatti gli oltre 1000 gradi Celsius da parte di una “fornace solare“, appunto alimentata solo a energia solare.
La fornace solare dell’ETH di Zurigo
Anche se si tratta di uno studio di proof-of-concept quello pubblicato su Device, la ricerca condotta dall’ETH di Zurigo è davvero sorprendente. Invece di bruciare combustibili fossili per fondere l’acciaio e/o cuocere il cemento, questo gruppo di ricercatori in Svizzera propone un’innovativa soluzione: utilizzare il calore del sole.
E grazie al quarzo sintetico i ricercatori sono riusciti a intrappolare l’energia solare al punto da farla portare a temperature superiori ai 1.000 gradi. Una temperatura necessaria per poter garantire una minima fusione dei materiali oggi alla base della civiltà, come vetro, acciaio, cemento e ceramiche.
In pratica, questo studio apre nuove strade per l’utilizzo del calore solare nelle industrie pesanti, rappresentando un passo importante verso la decarbonizzazione dell’energia e la lotta al cambiamento climatico.
Come arrivare a oltre 1000 gradi con l’energia solare
Proprio in quest’ottica di decarbonizzazione, i ricercatori avevano da tempo esplorato un’alternativa a base di energia pulita, ovvero i ricevitori solari, che concentrano e accumulano calore con migliaia di specchi a inseguimento solare. Tuttavia, questa singola tecnologia ha difficoltà a trasferire energia solare in modo efficiente sopra i 1.000 gradi.
Per questo il team di ricerca, guidato dall’autore del paper Emiliano Casati, ha studiato materiali semitrasparenti come il quarzo per migliorare questi ricevitori solari. Perché questi materiali possono intrappolare la luce solare grazie a un fenomeno chiamato effetto trappola termica (thermal-trap effect) o intrappolamento termico.
Il team ha pertanto creato un dispositivo apposito attaccando un’asta di quarzo sintetico a un disco di silicio opaco che funge da assorbitore di energia. Quando il dispositivo è stato esposto a un flusso di energia pari a 136 Soli, la piastra assorbente ha raggiunto i 1.050 gradi, mentre l’altra estremità dell’asta di quarzo è rimasta a 600 gradi.
Utilizzando poi un modello di trasferimento del calore, il team ha anche simulato l’efficienza di intrappolamento termico del quarzo in diverse condizioni. I risultati hanno mostrato che l’intrappolamento termico raggiunge:
- la temperatura obiettivo a concentrazioni più basse con le stesse prestazioni,
- una maggiore efficienza termica per pari concentrazione.
Ad esempio, un ricevitore non schermato ha un’efficienza del 40% a 1.200 gradi, ma con una concentrazione di 500 soli. Ma con 300 mm di quarzo come schermatura, il ricevitore raggiunge invece il 70% di efficienza alla stessa temperatura e concentrazione.
I ricercatori stanno ora esplorando materiali come fluidi e gas che possono raggiungere temperature ancora più elevate. Hanno addirittura notato che la capacità di assorbire la luce o le radiazioni non è limitata alla sola energia solare, pertanto c’è la possibilità di espandere questa scoperta anche ad altre fonti.
Per saperne di più su questo studio, consigliamo la lettura del paper disponibile su Device.
Casati et al. “Solar thermal trapping at 1,000ºC and above”, Device (2024) DOI: 10.1016/j.device.2024.100399
