Il muro di Trombe.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Giorgio Nebbia

Se leggete un trattato sull’energia solare, nell’indice, alla lettera “T” trovate il nome di Trombe associato al celebre ”muro” che da lui ha preso il nome. Si tratta di una ingegnosa forma di riscaldamento solare “passivo”, differente dai sistemi che richiedono dei pannelli esterni. Trombe propose di inserire, nella parete rivolta a sud degli edifici, una grande finestra di vetro dietro la quale è posto un “muro” con una faccia nera esposta al Sole. La radiazione solare, passando attraverso la lastra di vetro, scalda la parete nera del muro e resta “intrappolata” dentro la parete sotto forma di calore; la parete calda a sua volta scalda facilmente l’aria interna delle stanze. Negli anni cinquanta del secolo scorso il “muro di Trombe” diventò famoso in tutto il mondo e ancora oggi gli edifici con riscaldamento solare “passivo”, sempre più diffusi, utilizzano lo stesso principio, magari dimenticando chi ne è stato l’inventore mezzo secolo fa.

Se andate a vedere meglio, il Felix Trombe del “muro di Trombe” era … un chimico.

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Félix Trombe 1906-1985

Sembra che ci sia una attrazione fatale dei chimici per l’energia solare. Se andate a vedere meglio, il Felix Trombe del “muro di Trombe” era … un chimico. Sembra che ci sia una attrazione fatale dei chimici per l’energia solare. Erano chimici Giacomo Ciamician, il noto pioniere dello studio degli effetti fotochimici dell’energia solare; Farrington Daniels, https://en.wikipedia.org/wiki/Farrington_Daniels, a cui si devono studi pionieristici sull’energia solare nell’Università di Madison, nel Wisconsin; Maria Telkes, di cui si è parlato in questo blog https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/06/10/anche-la-regina-del-sole-era-una-chimica/; è un chimico il nostro collega Vincenzo Balzani, altra autorità internazionale della fotochimica solare https://it.wikipedia.org/wiki/Vincenzo_Balzani; nel mio piccolo sono un chimico anch’io e come tale mi sono occupato, tanti anni fa, della costruzione di distillatori solari per ottenere acqua dolce dal mare coi l’energia solare.

Nel mio piccolo sono un chimico anch’io e come tale mi sono occupato, tanti anni fa, della costruzione di distillatori solari per ottenere acqua dolce dal mare con l’energia solare.

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Università di Bologna, 1953, un distillatore solare sul tetto costruito da Giorgio Nebbia.

Felix Trombe (1906-1985) si era laureato in chimica industriale con una tesi sui metalli rari lantanidi e, dopo la laurea, per molti anni condusse ricerche di speleologia studiando e analizzando la circolazione delle acque in molte grotte fino allora inesplorate; i risultati sono raccolti in un noto “Trattato di speleologia”. Dopo il 1945 Trombe tornò ad occuparsi di metalli e, per migliorare le conoscenze sul comportamento dei metalli ad alta temperatura, costruì nel 1949 un “forno solare” della potenza di 50 kW a Mont Louis, sui Pirenei orientali, nel Sud della Francia; la cittadina in alta montagna era stata scelta perché offriva per molti mesi un cielo limpido. La radiazione solare era concentrata con un grande specchio parabolico, azionato da un meccanismo che poteva “seguire” il Sole nel suo “moto apparente” nel cielo. Nel “fuoco” dello specchio si raggiungevano temperature altissime con le quali era possibile osservare le modificazioni e le proprietà dei metalli e dei materiali senza i disturbi e le contaminazioni che si hanno nei forni tradizionali: una temperatura altissima e “pulita”.

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Forno solare di Odeillo

I successi del primo forno solare indussero le autorità francesi a finanziare la costruzione, sempre sui Pirenei, a Odeillo, di un secondo forno della potenza di 1000 kW che attrasse — erano ormai gli anni della prima crisi energetica del secolo scorso — anche l’attenzione dell’ente elettrico francese il quale abbinò al forno solare una centrale termoelettrica, chiamata Themis, che funzionò del 1982 al 1986. Funzionò male perché, anche nelle condizioni migliori, il flusso di calore proveniente dal Sole è irregolare e discontinuo, nei vari mesi dell’anno e nelle varie ore del giorno, mentre una centrale termoelettrica ha bisogno di un flusso continuo di vapore a temperatura elevata e costante. D’altra parte il calore di origine solare ad alta temperatura, non può essere “immagazzinato” in maniera soddisfacente.

I forni solari sono invece di grande utilità per la preparazione di leghe e metalli ad altissima temperatura, per reazioni chimiche speciali, da condurre al di fuori del contatto dell’aria, come del resto Trombe aveva ben intuito all’inizio delle sue ricerche; in questa direzione continuò a lavorare il laboratorio di Odeillo, anche dopo la chiusura della centrale Themis. Tanto più che nelle prove sui materiali ad altissime temperature c’è ancora moltissimo da scoprire con ricadute importanti nel campo meccanico, aeronautico ed elettronico.

Col suo lavoro con i forni solari Trombe era diventato una celebrità nel campo dell’energia solare di cui intuì la grande importanza sia nei paesi industrializzati sia in quelli emergenti. Col Sole si poteva diminuire il consumo di combustibili per il riscaldamento invernale col “muro” prima ricordato; Trombe condusse molte altre ricerche sull’energia solare; progettò distillatori solari di acqua marina per fornire acqua dolce ai paesi aridi, essiccatoi solari per le derrate alimentati deperibili, frigoriferi solari. Trombe morì nel 1985, in un periodo in cui sui mercati stavano scorrendo di nuovo fiumi di petrolio a basso prezzo — e inquinante — e l’energia solare era in declino. Non fece quindi in tempo a vedere la ripresa dell’interesse per l’energia solare sollecitata dalle nuove crisi energetiche e dai movimenti ambientalisti. Dopo il 1990 a Odeillo, accanto al grande forno solare, è stato creato un centro di informazione del pubblico, “Héliodyssée” per diffondere, specialmente fra gli studenti, le conoscenze sulle energie rinnovabili e sul Sole.

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E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements

 

Anche la Regina del Sole era una chimica

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Giorgio Nebbia

“Regina del Sole”, Sun Queen, è stata chiamata Maria Telkes (1900-1995) per i suoi contributi all’utilizzazione dell’energia solare, fatti con successo proprio perché era una chimica. Maria Telkes era nata in Ungheria e si era laureata in chimica nell’Università di Budapest.

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Dopo il dottorato, nel 1925 si trasferì negli Stati Uniti ed è stata assunta come biochimica presso la Cleveland Clinical Foundation dove ha messo a punto apparecchiature elettroniche per indagini cliniche. Nel 1937 fu assunta dalla Westinghouse Electric e nel 1939 passò al Massachusetts Institute of Technology (MIT). Qui ebbe l’incarico di collaborare alla costruzione di una abitazione “solare”, la Dover House, per la quale progettò il sistema di accumulo del calore solare. Per conservare il calore solare raccolto di giorno e nei mesi caldi e per renderlo disponibile di notte e nelle stagioni fredde, la Telkes propose un ingegnoso sistema consistente nel far circolare l’aria calda, raccolta nei pannelli solari, in adatti serbatoi isolati termicamente, pieni di solfato di sodio decaidrato.
Il sale di Glauber ha la proprietà di “fondere” nella propria acqua di cristallizzazione a temperature superiori a 32°C con assorbimento di circa 200 MJ/kg, e di tornare allo stato cristallino quando la temperatura si abbassa, con liberazione della stessa quantità di calore di fusione. La casa solare fu completata nel 1948 ed ebbe una certa risonanza.

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Durate la II Guerra mondiale il governo americano chiese alla Telkes di progettare un distillatore solare, un dispositivo in grado di trasformare l’acqua del mare in acqua dolce, utilizzabile dalle zattere dei naufraghi, la cui sopravvivenza dipendeva dalla disponibilità di anche modeste quantità di acqua dolce.

L’idea dei distillatori solari era antica; Ne aveva suggerito uno Giovan Battista Della Porta (1535-1615); nel 1886 nel Cile ne era stato costruito uno capace di fornire, ai minatori nell’altopiano delle Ande, 4000 litri di acqua dolce al giorno, distillando col calore solare l’acqua salina dei pozzi locali.

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Un distillatore solare non fa altro che riprodurre, in uno spazio ristretto, il ciclo naturale di evaporazioni e condensazioni dell’acqua; è costituito da una scatola di legno o metallo nella quale viene immesso uno strato di alcuni centimetri di spessore dell’acqua marina o salmastra; la scatola è coperta da una lastra inclinata di vetro o di altro materiale trasparente che lascia passare la radiazione solare ma non la radiazione infrarossa e che quindi trattiene all’interno della scatola il calore solare che scalda l’acqua e ne fa evaporare una parte. Il tetto trasparente, a contatto con l’aria esterna più fredda, funziona anche da condensatore del vapore; una grondaia raccoglie l’acqua distillata che scivola sella superficie interna del tetto. In questo modo è possibile ottenere, nelle zone temperate e calde, fra tre e sei litri di acqua distillata al giorno per ogni metro quadrato di vasca esposta al Sole. Poco, ma sufficiente per sopravvivere se non c’è altra acqua.

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Telkes propose una ingegnosa variante; si trattava di una specie di pallone di plastica gonfiabile; a metà del pallone era sospeso uno strato di tessuto spugnoso; il naufrago riempiva di acqua marina il pallone; lasciava drenare l’eccesso di acqua non trattenuta dalla spugna; poi gonfiava col fiato il pallone e lo faceva galleggiare; la parte inferiore del pallone era raffreddata dall’acqua di mare e fungeva da condensatore del vapore; l’acqua distillata, circa un litro al giorno, poteva poi essere estratto da una valvola sul fondo.

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Il distillatore solare divenne di dotazione dell’aeronautica americana; pareche abbia salvato molte vite ed è descritto nella rara pubblicazione:
National Defense Research Committee, Office of Science Research and
Development, OSRD Report 5225, May 1945 (posso fornirne una copia a chi è
interessato), nella quale è anche esposto il bilancio termico del processo.

La Telkes descrisse poi il suo distillatore solare e la teoria deldispositivo in un articolo pubblicato nella rivista Industrial and Engineering Chemistry, 43, 1108-1114 (May 1953).  Ricordo bene la cosa perché il fascicolo, datato maggio, arrivò in biblioteca nel luglio, e nell’agosto 1953 il mio primo distillatore solare, fatto di plexiglas (vasca, superficie trasparente del tetto-condensatore e canale di raccolta del distillato), era già in funzione su una terrazza dell’Università di
Bologna. Una passione che non mi ha più abbandonato per molti decenni.

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Il distillatore solare costruito da Giorgio Nebbia

Il lavoro della Telkes sull’energia solare è continuato, sempre ispirato all’idea originale, molto “ecologica” e ”sostenibile”, di “consumare” meno energia fossile e di risolvere problemi umani, di mancanza di beni essenziali, dall’acqua potabile al calore per cuocere; a lei si devono vari fornelli solari, molto semplici, per esempio costituiti da quattro pezzi di lamiera inclinati in modo da riflettere la radiazione solare su una pentola, posta nel “fuoco” di questo semplice collettore. I fornelli solari erano pensati per i paesi poverissimi, in cui le donne dei villaggi potessero
cuocere il cibo evitando di bruciare legno o carbonella in fornelli fumosi.

Negli anni quaranta e cinquanta del Novecento la Telkes aveva condotto anche interessanti ricerche, in parte brevettate, sulla termoelettricità. In quegli anni, prima della scoperta (1954) dei semiconduttori a base di silicio, per ottenere elettricità dall’energia solare si poteva contare soltanto sulle proprietà fotoelettriche del selenio, utilizzato negli esposimetri delle macchine fotografiche e in dispositivi per l’apertura automatica delle porte scorrevoli; quando la persona in entrata interrompeva un raggio di luce che colpiva appunto una cella fotoelettrica, si metteva in moto il comando elettrico dell’apertura. Il rendimento era però molto basso e l’effetto termoelettrico sembrava promettente per applicazioni solari.
Un’idea già proposta da Antonio Pacinotti (1841-1912).

Telkes studiò vari nuovi materiali adatti a trasformare il calore solare in elettricità; purtroppo il rendimento dei dispositivi termoelettrici aumenta con l’aumentare della differenza di temperatura fra le saldature “calde” e quelle “fredde” per cui, a fini pratici, è necessario concentrare la radiazione solare con specchi. La Telkes progettò e brevettò anche dei frigoriferi basati sull’effetto Peltier.

Gli anni di più intensa attività della Telkes furono quelli cinquanta e sessanta nei quali peraltro l’attenzione per l’energia solare si stava attenuando, un po’ per merito del petrolio abbondante a basso prezzo, un po’ per le promesse, poi deluse, dell’energia nucleare. Abbastanza curiosamente la Telkes un giorno predisse che l’interesse per l’energia solare sarebbe risorto partire dal 1975, ed è avvenuto proprio così, con la prima crisi petrolifera e poi con le prospettive della scarsità di petrolio e con la crisi climatica. Molti lavori di quella primavera dell’energia solare sono stati dimenticati e sarebbe forse utili disseppellirli dall’oblio perché forse contengono delle idee che potrebbero ancora tornare utili.

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Maria Telkes ha partecipato a innumerevoli congressi, sempre ambasciatrice delle soluzioni semplici per mettere il Sole al servizio delle necessità umane, soprattutto nei parsi arretrati. E’ stata attiva nei movimenti per i diritti della donne, ha avuto vari premi internazionali, anche come “donna” inventore (o si dice “inventrice” ?); nel 1952 ebbe il riconoscimento di prima donna ingegnere e ormai è ricordata, da quei pochi che la ricordano, col titolo, come si diceva all’inizio, di “Regina del Sole”. La Telkes è morta nel 1995 in Ungheria, il paese natale che era andata a visitare per la prima volta dopo l’emigrazione negli Stati Uniti.

La fiera del sole

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Giorgio Nebbia, nebbia@quipo.it

Il futuro dell’energia solare è stato discusso nel corso di un convegno tenutosi il 10 ottobre 2014 a Rodengo Saiano (alla periferia di Brescia) presso il Museo dell’Industria e del Lavoro MusIL (www.musil.brescia.it) con il contributo fondamentale del Gruppo per la Storia dell’Energia Solare (www.gses.it).

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L’energia solare può fornire calore a bassa ed alta temperatura, elettricità con pannelli fotovoltaici, genera i venti e il moto ondoso, produce biomassa vegetale per fotosintesi. Il calore di origine solare a bassa temperatura permette di scaldare l’acqua o gli edifici o di distillare l’acqua di mare per ottenere acqua potabile; il calore solare ad alta temperatura, concentrato mediante specchi può azionare macchine termiche. Per queste tecnologie ci sono stati importanti contributi pionieristici italiani sotto forma di pompe solari, di distillatori solari e di centrali a specchi. Di alcuni di tali contributi il Museo, emanazione della Fondazione Luigi Micheletti di Brescia, ha raccolto, donati da privati ed esposti ai partecipanti, reperti di grande interesse e una documentazione bibliografica unica in Italia. Di tutte le conoscenze tecnico-scientifiche degli ultimi 150 anni nel campo dell’utilizzazione dell’energia solare solo una piccola parte viene oggi utilizzata per soddisfare i bisogni energetici in forma rinnovabile e pulita.
Il Sole irraggia ogni anno sulla Terra (in particolare sui continenti) una quantità di energia che è duemila volte superiore a quella totale consumata nello stesso periodo dai sette miliardi di terrestri, ma purtroppo oggi ancora soltanto poco più dello 0,5 per cento dei consumi mondiali di energia è ottenuto dal Sole con i pannelli fotovoltaici o le pale dei motori eolici. Nel corso del convegno sono state passate in rassegna le molte altre tecnologie, già note, che potrebbero trarre energia utile dal Sole. Molte di queste avrebbero un ruolo fondamentale per aiutare nel loro sviluppo le persone, oltre un miliardo nel mondo, che sono prive di elettricità o di prodotti petroliferi e che sono poi quelle che vivono in zone in cui è maggiore l’intensità della radiazione solare. Con tecnologie appropriate il Sole consentirebbe di essiccare i prodotti agricoli, distillare le acque saline per ottenere acqua potabile, estrarre con eliopompe l’acqua dal sottosuolo, scaldare i cibi nei fornelli in modo non inquinante. Impianti fotovoltaici di piccole dimensioni potrebbero fornire elettricità per azionare pompe o frigoriferi o impianti di telecomunicazioni per comunità isolate. L’energia del Sole assicura il ciclo di evaporazione e condensazione delle acque che scorrono continuamente nei torrenti e nei fiumi e dal moto di tali acque è possibile ricavare energia con impianti compatibili con il territorio. Il MusIL ha in corso un inventario delle località in cui le testimonianze di antiche ruote ad acqua indicano la presenza di forze idrauliche utilizzabili con moderni macchinari. Nel corso del convegno è stato infine ricordato che dalla riscoperta di tecnologie solari dimenticate e dal perfezionamento di quelle esistenti possono venire occasioni durature di impresa e di lavoro, capaci di contribuire allo sviluppo sociale e umano di molti territori e paesi, di diminuire la dipendenza dai combustibili fossili nei paesi industriali e di rallentare lo spettro del riscaldamento globale planetario e dei suoi disastrosi effetti, sotto gli occhi di tutti. Di grande interesse l’aggiornamento dello stato dell’arte del fotovoltaico e della sua evoluzione tecnologica che ha permesso un aumento dei rendimenti ed una notevole riduzione dei costi. Per il solare termodinamico, se per l’Italia non sono praticabili i grandi impianti con specchi piani a concentrazione che richiedono grandi estensioni desertiche, promettente sembra il termodinamico di piccola scala ed a bassa e media temperatura, con specchi parabolici o semoventi in funzione di un asse focale longitudinale, dove sostanze particolarmente reattive al gradiente termico, come i sali fusi, permettono di azionare motori o turbine per la produzione di energia elettrica. Dunque tecnologie italiane che potrebbero avere un grande sviluppo, come il prototipo di eliopompa Nova Somor esposto per la prima volta al pubblico in questa occasione, che riprende, con le opportune innovazioni, l’eliopompa progettata e costruita nel lontano 1935 da Daniele Gasperini.

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il prototipo Somor esposto al MusIL

Insomma un convegno che ha offerto tante prospettive di ricerca, innovazione e possibile industrializzazione, potenzialmente di grande interesse anche per un’economia buona e per un’occupazione di qualità di cui il nostro Paese ha urgente bisogno.
Fondazione Museo dell’Industria e del Lavoro.

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Nota del blogmaster:

Il MusIL è una iniziativa basata su ben 4 poli museali che meriterebbe certamente una maggiore divulgazione e conoscenza; invitando i lettori a visitare questa splendida iniziativa che si trova nella provincia di Brescia, ricordo anche il gruppo GSES, ossia il Gruppo per la Storia dell’energia solare, di cui Giorgio Nebbia è membro, presieduto dall’ing. Cesare Silvi; Silvi è autore fra l’altro di un pregevole articolo da cui abbiamo preso l’immagine della eliopompa Somor, inventata nel lontano 1935 da Daniele Gasperini e da Ferruccio Grassi e commercializzata per decenni, ma di fatto sconosciuta ai più.

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L’articolo è liberamente scaricabile ed è un piacere leggerlo per la qualità e la completezza e anche lo stile piacevole con il quale è scritto; ci racconta un episodio significativo della nostra storia industriale; l’articolo inoltre fa cenno ai moderni sviluppi dei dispositivi solari a bassa temperatura, un  capitolo tecnologico ancora aperto, sul quale vi consiglio di leggere per esempio:

 Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 3059–3067

un articolo sul tema scritto daHuijuan Chen, D. Yogi Goswami *, Elias K. Stefanakos e dal titolo A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat.

Sempre sul medesimo tema vi consiglio anche dalla medesima rivista Renewable and Sustainable Energy Reviews 7 (2003) 131–154
http://www.elsevier.com/locate/rser
A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines
scritto da Bancha Kongtragool, Somchai Wongwises che fra l’altro accenna alla possibilità di accoppiare il motore Stirling con l’energia solare a bassa temperatura.

Vedreste così che nonostante la bassa efficienza termodinamica i dispositivi solari a bassa temperatura riscuotono un enorme interesse tecnologico e forniscono un campo di futuribili sviluppi assolutamente da non trascurare; l’efficienza bassa di questi dispositivi viene bilanciata dal costo assolutamente gratuito della energia primaria che essi sfruttano; ma non solo, una eliopompa a bassa temperatura può arrivare senza grossi problemi a circa il 10% di rendimento che non è poi così lontano da quelllo del fotovoltaico soprattutto tenendo conto dei costi molto limitati della sua tecnologia (che non significa basso livello, al contrario). Non a caso l’interesse per questi dispositivi rimane vivo nel paesi a più basso reddito e privi di risorse fossili, come era poi l’Italia degli anni 30 del secolo scorso (ed è in parte ancora oggi); ma ci sono lezioni di vita e di tecnologia che possiamo apprendere da quel passato e che ci serviranno verosimilmente nel prossimo futuro. Grazie a Nebbia e Silvi di mantenere vivo il ricordo.