Il tramonto del sole non deve necessariamente coincidere con la fine della produzione energetica solare. Sembra un paradosso, eppure l’idea di un pannello solare che funziona di notte non è fantascienza, perché il buio non è vuoto di energia come si potrebbe credere, e la scienza lo sta dimostrando.
I ricercatori australiani della University of New South Wales hanno recentemente acceso i riflettori sulle celle termoradiative, ribattezzate dai media, per semplicità, pannelli solari notturni. A differenza dei sistemi tradizionali, i quali attendono i fotoni provenienti dal Sole, com’è noto, queste celle sfruttano un principio termodinamico inverso. Catturano il calore infrarosso che la Terra, riscaldata durante il giorno, rilascia verso il gelo dello spazio siderale dopo il tramonto. Di fatto, si tratta di un fotovoltaico di notte, il quale dispone della capacità di trasformare il raffreddamento del pianeta in corrente elettrica.
Il limite del fotovoltaico classico e la sfida dell’energia notturna
Il limite intrinseco dei pannelli fotovoltaici tradizionali è scritto nel loro nome: dipendono dai fotoni solari. Non c’è scappatoia: la presenza della stella è necessaria. Quando il sole tramonta, la produzione crolla istantaneamente a zero.
L’astro è imprescindibile e questo crea il celebre problema della curva ad anatra, dal nome inglese duck curve, come è stato ribattezzato il grafico che mostra le curve di carico prodotte su una rete dalla produzione di energia fotovoltaica. Una trasformazione così intermittente costringe le reti elettriche a fare affidamento su costose batterie d’accumulo o, peggio, a valutare la riaccensione delle centrali a fonti fossili per coprire il fabbisogno notturno, lasciato scoperto dall’energia solare che in quelle ore non è disponibile.
Trovare un modo per produrre energia al buio non è quindi solo una sfida accademica, ma una necessità strategica. L’obiettivo della ricerca solare portata avanti dalla UNSW è proprio quello di colmare questo gap temporale, sfruttando la Terra stessa come se fosse una gigantesca batteria termica che si scarica ogni notte, verso lo spazio. Riuscire nell’impresa potrebbe darci una soluzione a quello che, di fatto, è il più annoso tra i problemi legati alla produzione solare: la sua indisponibilità notturna. La questione rappresenta un ostacolo considerevole, specialmente durante i mesi invernali.
Come può un pannello solare produrre energia senza sole?
Se vogliamo comprendere come sia possibile generare elettricità nell’oscurità più totale della notte, dobbiamo cambiare la nostra prospettiva su che cosa siano il calore e la luce. I concetti di immissione ed emissione che conosciamo possono ostacolare la nostra comprensione dell’effetto termoradiativo. Il potenziale di questa produzione energetica verte proprio sulla capacità di andare oltre i limiti di queste definizioni e ribaltarne il paradigma.
Il calore immagazzinato dalla Terra e l’emissione a infrarossi
Durante il giorno, a causa della sua esposizione, la superficie terrestre assorbe una quantità immensa di energia solare. Quando cala il buio e il sole sta illuminando altre zone, la porzione del pianeta rimasta in ombra cerca di ritrovare il suo equilibrio termico, e lo fa raffreddandosi. Questo calore non si limita semplicemente a scomparire, dal momento che la fisica glielo impedisce, ma viene allontanato dalla Terra, irradiato verso lo spazio più profondo.
La temperatura, così lontano dal nostro pianeta, è prossima allo zero assoluto. Il calore che raggiunge questi anfratti spaziali lo fa sotto forma di energia infrarossa di cui la Terra si priva, al fine di raffreddarsi prima che il sole torni a scaldarla. Si tratta di una radiazione elettromagnetica molto flebile, naturalmente invisibile all’occhio umano, ma carica di potenziale energetico in attesa di poter essere sfruttato.
Il principio termoradiativo dei pannelli solari notturni
La cella termoradiativa funziona esattamente al contrario di come opera una cella fotovoltaica classica. Mentre quest’ultima genera corrente assorbendo luce da una sorgente calda, ovvero il Sole, nella forma dei suoi fotoni, la prima ottiene lo stesso risultato emettendo energia, verso un ambiente considerevolmente più freddo come lo spazio.
Sfruttando la differenza di temperatura tra Terra e universo, la cella intercetta il flusso di calore in uscita e ne trasforma una frazione in elettricità. In sostanza, il pannello produce energia mentre guarda il freddo, invece di assorbirla dalla potenza del sole. Si tratta di una banalizzazione al fine di spiegare quel che effettivamente avviene, ma ci basta per comprendere quale possa essere l’immenso potenziale di una tecnologia come quella radiativa, e come essa possa bilanciare l’azione giornaliera del fotovoltaico tradizionale.
Un po’ di glossario
Facciamo chiarezza sui termini chiave che abbiamo usato, per fissare meglio il concetto di fotovoltaico termoradiativo.
La radiazione infrarossa è parte dello spettro elettromagnetico. La emettono tutti gli oggetti che possiedono una temperatura superiore allo zero assoluto. È percepita da persone, animali e strumentazione come calore.
Una cella termoradiativa è un dispositivo a semiconduttore. Può generare potenza elettrica emettendo radiazione infrarossa verso un ambiente più freddo.
Il differenziale termico rappresenta la chiave dell’intero processo di produzione di energia termoradiativa. Si tratta della differenza di temperatura tra due corpi o ambienti e agisce da motore fisico al fine di permettere il passaggio di energia e la sua trasformazione.
A che punto è la ricerca? Le differenze nel rendimento
Prima di diffondere false illusioni, occorre sottolineare la fondamentale necessità di mantenere un approccio realistico. A oggi, i pannelli solari notturni non sono pronti a sostituire il silicio diurno sui nostri tetti. Probabilmente, la situazione resterà questa ancora per qualche tempo. Attualmente, i prototipi sviluppati dalla UNSW e dalla Università di Stanford generano circa un decimo, se non meno, dell’energia prodotta da una cella solare tradizionale. Naturalmente, il dato si intende a parità di superficie.
Siamo ancora nella fase della dimostrazione di fattibilità termodinamica. Tradotto, significa che dobbiamo uscire dall’iter sperimentale, portato avanti nei laboratori. Tuttavia, la ricerca sta compiendo passi da gigante e filtra ottimismo. Una volta perfezionati i materiali da impiegare nella realizzazione delle celle, che saranno probabilmente tellururo di mercurio e cadmio, non appena la tecnologia sarà in grado di essere replicata su scala industriale, i rendimenti sono destinati a salire. Le stime parlano di un drastico aumento dell’efficienza.
Ad ogni modo, va considerato che anche una produzione modesta, se estesa su milioni di pannelli, potrebbe rivoluzionare la stabilità delle reti elettriche mondiali, rendendo la curva ad anatra solo un simpatico ricordo.
Applicazioni pratiche dei pannelli solari notturni: dal recupero di calore industriale ai sensori spaziali
L’utilità della tecnologia che sta alla base dei pannelli solari notturni va ben oltre la semplice illuminazione di strade e abitazioni dopo il calar del sole. Vediamo alcune loro applicazioni pratiche che potrebbero rendere la tecnologia termoradiativa uno dei nostri migliori alleati nella transizione energetica:
- recupero del calore industriale: Le celle potrebbero essere rivestite intorno a tubi di scappamento, o macchinari di fabbrica, per catturare il (copioso) calore di scarto e convertirlo in elettricità da riutilizzare;
- dispositivi bionici: è stato ipotizzato, ma non ancora testato, l’utilizzo di mini-celle termoradiative capaci di alimentare piccoli sensori medici, sfruttando esclusivamente il calore del corpo umano. Si tratterebbe di una nuova frontiera per la medicina;
- esplorazione spaziale: i pannelli solari notturni potrebbero alimentare sonde e satelliti che operano in zone d’ombra, o nello spazio profondo, dove la luce della stella che regola il Sistema Solare è troppo debole, ma il differenziale termico estremo;
- Internet of Things: l’alimentazione di sensori ambientali remoti, che devono funzionare 24 ore su 24 senza necessità di manutenzione o sostituzione delle batterie, potrebbe essere affidata ai pannelli solari notturni.
