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CONFERENZA DEL PROFESSOR G.P. SESTU

PROSPETTIVA SOLARE
- Parte Prima - 

Ieri, 13 maggio, il professor G.P.Sestu ha brillantemente svolto la sua lezione sul tema “Prospettiva solare”. Vediamone i passi salienti.

La parola energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta dal greco ἐνέργεια (energheia), termine usato da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire. Fu durante il Rinascimento che, ispirandosi alla poesia aristotelica, il termine fu associato all'idea di forza espressiva. Ma fu solo nel 1619 che Keplero usò il termine nell'accezione moderna di “energia”, “capacità di compiere un lavoro”.
Si definiscono fonti primarie di energia quelle presenti in natura prima di avere subito una qualunque trasformazione. Sono fonti primarie le fonti energetiche esauribili (petrolio grezzo, gas naturale, carbone, materiali fissili) e le fonti di energia rinnovabili quali energia solare, eolica, idrica, biomasse, geotermica e ... l'intelligenza umana (risparmio energetico) Si definiscono invece fonti secondarie quelle che derivano, in qualunque modo, da una trasformazione di quelle primarie: sono fonti secondarie, per esempio, la benzina (perché deriva dal trattamento del petrolio greggio), il gas di città (che deriva dal trattamento di gas naturali), l’energia elettrica (che deriva dalla trasformazione di energia meccanica o chimica).
Sole, acqua, aria, terra, fuoco, sono i cinque elementi della tradizione, insieme all'ingegno dell'uomo, per tornare in armonia con la natura in maniera moderna, economica ed efficiente. Per lungo tempo le energie rinnovabili sono apparse un obiettivo quasi chimerico, a causa degli alti costi di gestione e del basso rendimento. Oggi invece la tecnologia ci consente di realizzare sistemi efficienti ed economici..Un'altra realtà della moderna alternativa energetica è rappresentata dai cosiddetti "edifici sostenibili" realizzati con materiali e tecniche che garantiscono consumi ridotti, emissioni ambientali nulle e notevole risparmio energetico. Gli edifici sostenibili sono inoltre incentivati da politiche europee e detrazioni fiscali. Ma cosa sono esattamente e come si possono combinare le fonti energetiche rinnovabili?
La tecnologia fotovoltaica permette la produzione di energia elettrica utilizzando una fonte gratuita e rinnovabile: il Sole. In questo caso i vantaggi sono evidenti. Nessun costo di esercizio, dato che il "combustibile" utilizzato è gratuito. In altre parole ogni qual volta si ha la necessità di energia elettrica è possibile produrla in modo semplice ed ecologico risparmiando l'intero importo della bolletta. I sistemi solari termici permettono la trasformazione dell'energia della radiazione solare in energia termica. La semplicità e la grande versatilità di questa tecnologia, i bassi costi, la facilità di installazione e il rapido ritorno economico la rendono la soluzione più utilizzata in vari settori. Gli impieghi più diffusi sono quelli per la produzione di acqua calda sanitaria e per l'integrazione all'impianto di riscaldamento tradizionale. Le microcentrali idroelettriche trasformano l'energia di piccoli corsi d'acqua in elettricità, in modo pulito e rispettoso dell'ambiente. I generatori idroelettrici garantiscono un'ottima produttività a fronte di costi di realizzazione e manutenzione contenuti. Da sottolineare che la generazione di energia idroelettrica è incentivata dal sistema dei "Certificati verdi". Gli impianti eolici utilizzano la forza del vento, gratuita, pulita e rinnovabile, per produrre energia elettrica. I generatori attualmente in commercio garantiscono un'ottima produttività, a fronte di costi di realizzazione e manutenzione contenuti. Grazie agli incentivi governativi, rappresentano una forma di investimento davvero interessante.L'utilizzo di un sistema di sonde geotermiche permette di prelevare, attraverso una pompa di calore, l'energia contenuta nel sottosuolo utilizzandola per la climatizzazione. Questa fonte gratuita ed inesauribile rende l'utilizzo di tali sistemi particolarmente economico ed ecologico.
Per biomassa si intendono tutti quei materiali di origine organica, animale o vegetale, che non hanno subito alcun processo di fossilizzazione (al contrario di petrolio e carbone). Con il termine biogas si definisce una miscela di vari tipi di gas (principalmente metano) prodotti dalla fermentazione in assenza di ossigeno dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, liquami e scarti agro-industriali. Rappresentano una valida soluzione a molte delle attuali richieste energetiche (dalla produzione di energia termica ed elettrica alla produzione di combustibili per i mezzi di trasporto) anche perché risultano gli unici a poter essere trasformati in combustibile solido, liquido o gassoso mediante opportune tecnologie di conversione ormai ben collaudate. La Natura ci mette a disposizione i mezzi per avere energia pulita e gratuita, ma per passare dalla potenza all'atto, è necessario l'ingegno dell'uomo, che organizzi razionalmente lo sfruttamento delle fonti rinnovabili La cogenerazione è la produzione congiunta di energia elettrica e calore a partire da una singola fonte energetica. La maggiore efficienza ottenuta nell'utilizzo dell'energia primaria consente risparmi energetici fino al 40% e tempi di rientro dell'investimento in soli 3-4 anni. Un impianto di cogenerazione ben dimensionato, inoltre, mette al riparo da interruzioni e cali di tensione.
La Fusione Nucleare consiste nel fondere due nuclei leggeri per formarne uno pesante. Il processo è analogo a quello che avviene nel Sole e nelle stelle e potrebbe essere prodotto artificialmente anche sulla Terra. Oltre alla formazione di nuovi elementi, la fusione nucleare comporta la formazione di una grandissima quantità di energia. Per poter fondere due nuclei bisogna avvicinarli vincendo la forza di repulsione che esiste tra i protoni. Per far sì che la fusione avvenga, sono necessarie temperature elevatissime, che ancora oggi è quasi impossibile raggiungere. Dalla fusione nucleare si ottiene un'enorme quantità di energia, dovuta al difetto di massa: una volta che i due atomi si fondono, la loro massa non è pari alla somma delle masse dei due nuclei, ma minore. La differenza tra la somma delle masse di partenza e la massa finale si è convertita in energia seguendo la legge di Einstein la quale afferma che l'energia prodotta è uguale alla massa per il quadrato della costante c(velocità della luce: 300.000 Km/s). Gli elementi più idonei per la fusione sono gli isotopi dell'idrogeno(Deuterio e Trizio), che dalla loro fusione si formerebbe un atomo di elio ed un neutrone libero. L'importanza della Fusione non consiste solo nell'energia prodotta che risulta essere maggiore di quella della fissione nucleare, ma consiste nel fatto che è un energia pura ovvero i prodotti della fusione non sono radioattivi come quelli della fissione, inoltre l'idrogeno è un elemento che sul nostro pianeta si può trovare facilmente e con i minimi costi(si pensi al mare che ne è pieno).La prima teoria sulla fusione nucleare fu fatta dal fisico Hans Bethe nel 1938 in base allo studio del sole. Infatti per spiegare gli elementi chimici prodotti all'interno del sole c'era un unico modo ed era quello della fusione tra protoni e nuclei. Per questa sua teoria vinse il Nobel nel 1967, e nel 1983 ci fu un'altro Nobel in questo campo per l'atrofisico americano William Fowler che approfondì lo studio delle reazioni nucleari nelle stelle. La prima produzione di energia da fusione nucleare, invece, risale al 9 novembre 1991 in Gran Bretagna dove il reattore a fusione sperimentale europeo (Jet) produsse, per la prima volta, energia da fusione nucleare. Questa fu la prima fusione controllata della storia(la seconda avvenne dopo due anni dal reattore Americano del tipo Tokamak), in passato infatti la fusione era raggiungibile solo in maniera non controllata nelle Bombe H(chiamate bombe a idrogeno  o termonucleari).
Il Sole è un'enorme sfera di gas incandescente, costituita principalmente da idrogeno ed elio, il cui diametro è di 1,4 milioni di chilometri. E' così grande che al suo interno potrebbe contenere circa 1 milione di pianeti grandi come la Terra. Ed è proprio per queste notevoli dimensioni che ci appare così grande, nonostante sia una stella 'piccola' in confronto ad altre presenti nell'Universo, e nonostante disti 150 milioni di km.

Come è fatto il Sole

La nostra stella può essere suddivisa in "zone" (o gusci concentrici, vedi figura 1); al centro troviamo il nucleo, nel quale avvengono i processi chimici che mantengono in vita il Sole, e attraverso i quali viene prodotta l'energia sotto forma di raggi X e raggi g (gamma). Tale energia attraversa la zona radiativa, raggiungendo lo strato convettivo; qui i gas presenti trasportano l'energia verso l'esterno, per poi raffreddarsi e ricadere verso l'interno. Subito dopo questa zona troviamo la fotosfera, che rappresenta il limite tra la parte interna del Sole, e quella più esterna. Subito dopo di essa infatti si trova la cromosfera, molto più rarefatta. Infine troviamo la corona, ossia la parte più esterna del Sole, estesa per milioni di chilometri e con una forma che varia continuamente nel corso del tempo. Man mano che ci si allontana dalla cromosfera, la corona diventa sempre più rarefatta. Vediamo ora nel dettaglio la struttura della nostra stella.

1.1  Il nucleo

Il nucleo si estende per circa 150.000 km e in esso è contenuta circa 1/10 della massa totale del Sole. Come già detto poco sopra, i processi chimici attraverso i quali viene prodotta l'energia, avvengono nel nucleo.

Qui infatti la temperatura e la pressione sono elevatissime (15.000.000°C e 220 miliardi di atmosfere), e possono dar luogo a violenti fusioni nucleari. Ogni secondo, milioni di tonnellate di idrogeno si fondono tra loro, originando altrettante tonnellate di elio.

La produzione dell'energia è però più complessa, come descritto nel riquadro a lato.

I raggi gamma e i raggi X, man mano che procedono verso l'esterno, perdono parte della loro energia, trasformandosi prima in ultravioletti e poi in luce visibile.

1.2  Zona radioattiva e convettiva

La zona radioattiva circonda il nucleo e si estende per circa 500.000 km. Il nome deriva dal fatto che in essa, l'energia prodotta nel nucleo, si irradia verso l'esterno tramite l'assorbimento e la reimissione da parte della materia. Tuttavia questo processo avviene numerose volte a causa dell'elevata densità di materia presente all'interno del Sole; inoltre la zona radiativa è molto vasta, di conseguenza l'energia impiega 10 milioni di anni per attraversarla completamente, per poi raggiungere raggiungere lo strato convettivo. Qui i gas presenti (ragruppati in zone dette celle convettive) si muovono verso l'esterno, trasportando l'energia. Una volta raffredati, essi riscendono verso la zona radiativa. Questo movimento continuo permette all'energia di raggiungere in breve tempo la fotosfera.

1.3  La fotosfera

Rappresenta la superficie apparente del Sole; è un guscio spesso circa 700 km e con una temperatura di 5.700°C che segna il confine tra la densa materia solare presente all'interno, e l'atmosfera, più trasparente e posta all'esterno. I gas che compongono la fotosfera non sono distribuiti uniformemente, ma sono raggruppati, formando alte colonne di materia che salgono verso la superficie, per poi riscendere verso la zona convettiva. Sono presenti a milioni e la parte superiore di queste colonne gassose formano dei "pennacchi", noti come granuli. Ogni granulo ha un aspetto circolare o poligonale ed un diametro che può variare dai 200 ai 1800 km. Poichè la loro vita media è di pochi minuti, la superficie del Sole cambia costantemente aspetto.

1.4  La cromosfera

L'ultimo strato del Sole, oltre il quale si estendono solo i gas coronali, è la cromosfera (dal greco: sfera, involucro colorato), estesa per 15.000 km. E' molto difficile da osservare, a causa della vicinanza con l'abbagliante fotosfera. Le occasioni migliori si verificano con le eclissi totali di sole, in quanto la fotosfera viene oscurata dalla Luna, lasciando intravedere parte della cromosfera. Anche qui i gas non sono distribuiti in maniera uniforme, ma sono concentrati; se si trovano in prossimità delle macchie solari, formano getti simili a strette lingue fiammeggianti, detti facole, che si innalzano fino a 10.000 km, per tempi molto brevi (al massimo 5 minuti). Se invece si concentrano in altre zone della cromosfera, formano dei supergranuli, detti anche spicole, ampi 30.000-40.000 km. Come i granuli della fotosfera, le spicole si innalzano, si espandono e ricadono verso l'interno del Sole, con la differenza che queste ultime possono durare di più (fino a mezza giornata circa).

1.5 La corona

Oltre la cromosfera, inizia l'atmosfera solare vera e propria, chiamata corona. E' costituita principalmente da idrogeno molto rarefatto, ed è molto calda (oltre un milione di gradi Centigradi). A causa della sua bassissima luminosità, può essere osservata solo in due modi: ad occhio nudo durante un'eclisse totale di Sole o con l'ausilio di uno strumento chiamato coronografo, il quale copre il disco solare, proprio come avviene durante un'eclisse. Nel primo caso è visibile buona parte della corona (all'incirca fino a 17 milioni di chilometri di distanza dal disco solare), mentre con gli strumenti è possibile vedere solo quella più interna.
La forma, la struttura e le dimensioni della corona solare variano nel corso del tempo (anche a distanza di ore), seguendo l'andamento ciclico del Sole (che descriveremo in un prossimo articolo). Nell'epoca del massimo appare simmetrica e quasi circolare, mentre nei periodi di minimo mostra un forte appiattimento, con lunghi fasci all'equatore solare .
Come mai la corona, nonostante sia più rarefatta e più lontana del Sole vero e proprio, è così calda? La risposta si troverebbe (ancora se non esiste una teoria certa su questo fenomeno) nei granuli della fotosfera e della cromosfera. I calcoli hanno dimostrato infatti che 1/10000 dell'energia immagazzinata nella granulazione è sufficiente per mantenere sempre allo stesso livello la temperatura coronale.