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Due parole sulla stampa in 3D

5 Giu

Diversi utenti mi hanno contattato per avere un approfondimento sulle stampanti 3D. Oggi come oggi, questo tipo di tecnologia e’ entrato pesantemente nella nostra vita e tutti noi, almeno una volta, abbiamo sentito parlare di questa tecnologia anche se, a volte, si ignora completamente il processo realizzativo alla base di questi nuovi strumenti.

Se provate a cercare in rete, trovate una definizione della stampa 3D molto semplice: si tratta dell’evoluzione naturale della classica stampa in 2D, utilizzata pero’ per realizzare oggetti reali in materiali diversi.

Personalmente, trovo questa definizione molto semplicistica e assolutamente riduttiva. Perche’? Semplice, non possiamo confrontare una stampa 2D con una 3D proprio perche’ relativa ad una concezione di realizzazione estremamente diversa. Detto molto semplicemente, sarebbe come voler paragonare la pittura con la scultura, parlando di quest’ultima come la naturale evoluzione della prima.

Cerchiamo di andare con ordine e capire meglio le basi di questo processo. Se nella stampa 2D possiamo riprodurre su un foglio di carta una qualsiasi immagine, in quella 3D il prodotto finale ara’ un oggetto solido, reale e tridimensionale. Un esempio? Disegnate al pc una tazza. Se stampate il vostro disegno con una normale stampante avrete la riproduzione di quell’immagine appiattita su una superficie. Utilizzando invece una stampante 3D il vostro risultato sara’ una vera e propria tazza che potete vedere, toccare e, perche’ no, anche utilizzare.

Solo fino a qualche anno fa, un processo del genere sarebbe stato considerato fantascientifico e, se ci avviciniamo ai giorni nostri, retaggio di costosi macchinari riservati alle aziende piu’ grandi. Oggi invece la tecnologia della stampa 3D e’ divenuta “quasi” di uso comune grazie alla notevole contrazione dei prezzi di queste stampanti, risultato di massicci investimenti fatti da numerose compagnie pubbliche e private.

Pensate stia scherzando? Facendo una ricerca su internet, cominciate a trovare stampanti in grado di riprodurre oggetti fino a decine di centimetri per lato, ad un prezzo inferiore ai 1000 euro. Pensate sia ancora tanto? Nel giro di pochissimi anni, i prezzi di questi dispositivi si sono ridotti in media di un fattore dieci. Come anticipato, questo e’ stato possibile grazie ai notevoli investimenti fatti nel settore ricerca sia pubblico che privato. Per darvi una stima, il prezzo delle azioni delle maggiori case costrttrici di questi dispositivi e’ cresciuto fino a cinque volte facendo riconoscere queste aziende tra le migliori nei listini di borsa.

Visto il sicuro interesse in questi dispositivi, cerchiamo ora di capire meglio come avviene il processo realizzativo di un oggetto a tre dimensioni.

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Come potete facilmente immaginare, le tecniche realizzative utilizzate sono diverse ma per comprendere il meccanismo in modo semplice, concentriamoci su quello maggiormente utilizzato e piu’ intuitivo. Come nelle stampanti tradizionali, ci sono delle cartucce contenenti il materiale con cui sara’ realizzato il nostro oggetto. Nella versione piu’ comune, questo materiale sara’ ABS o PLA, due polimeri che per semplicita’ possiamo immaginare come delle plastiche. Normalmente le cartucce contengono questi materiali in forma di polvere o di fili.

Bene, abbiamo il materiale nelle cartucce, poi? Vi ricordate le vecchie stampanti che imprimevano una riga alla volta sul foglio che via via veniva portato avanti? Il processo e’ molto simile a questo. Nella stampa 3D l’oggetto viene realizzato per strati paralleli che poi crescono verso l’alto per realizzare i particolari del corpo che vogliamo stampare. L’esempio classico che viene fatto in questi casi e’ quello dei mattoncini dei LEGO. Strato per strato costruite qualcosa “attaccando” tra loro i vari pezzi. Nella stampa 3D ogni strato viene depositato sull’altro con un processo a caldo o di incollaggio a volte mediante l’ausilio di un materiale di supporto.

Compreso il processo alla base, la prima domanda da porci e’ relativa alla risoluzione di queste stampanti. In altre parole, quanto sono precisi i pezzi che posso realizzare? A differenza della stampa 2D, in questo caso dobbiamo valutare anche la precisione di costruzione verticale. Per quanto riguarda il piano orizzontale, la risoluzione della stampa dipende dalla “particella” di materiale che viene depositata. In verticale invece, come facilmente immaginabile, la precisione del pezzo dipendera’ dallo spessore dello strato che andate a depositare. Piu’ lo strato e’ sottile, maggiore sara’ la risoluzione della vostra stampa. Normalmente, per darvi qualche numero, parliamo di risoluzioni verticali dell’ordine del decimo di millimetro.

A questo punto, abbiamo capito piu’ o meno come funzionano queste stampanti, abbiamo visto che i prezzi sono in forte calo ma la domanda principale resta sempre la stessa: cosa ci facciamo con queste stampanti? In realta’, la risposta a questa domanda potrebbe essere semplicemente “tantissimo”. Cerco di spiegarmi meglio. Le stampanti 3D sono gia’ utilizzate e sotto attento studio di ricerca per il loro utilizzo nei piu’ svariati settori.

Qualche esempio?

Prima di tutto per le aziende che si occupano della realizzazione dei protitipi o di produzione su grande scala di oggetti di forma piu’ o meno complessa. In questo caso vi riporto direttamente la mia esperienza in questo settore. Ai Laboratori Nazionali di Frascati disponiamo di una stampante 3D con una buona risoluzione per la stampa di oggetti in ABS. Cosa ci facciamo? Moltissime parti dei rivelatori di particelle possono essere stampati direttamente in 3D saltando tutta la difficile fase della realizzazione con macchine utensili. Inoltre, ricorrere alla stampa 3D, anche solo in fase prototipale, consente di poter valutare al meglio la correttezza dell’oggetto pensato e la sua funzionalita’ nei diversi settori.

Oltre a queste applicazioni, le stampanti 3D possono essere utilizzate in medicina forense per la ricostruzione di prove danneggiate, in oreficeria, nel settore medico per la ricostruzione ossea, in paleontologia per la preparazione di modelli in scala di parti rinvenute e cosi’ via per moltissimi settori in cui la stampa 3D puo’ velocizzare notevolmente il processo realizzativo ma soprattutto con costi molto contenuti rispetto alla lavorazione classica.

Oggi come oggi, la ricerca in questo settore e’ fortemente orientata allo studio dell’utilizzo di materiali piu’ disparati. Per darvi qualche idea si va dal tessuto osseo alle plastiche, dalla roccia all’argilla e cosi’ via. Come potete capire immediatamente, piu’ materiali si riescono ad utilizzare, maggiori sono i settori interessati in questi prodotti.

Anche se poco noto al grande pubblico, in rete ci sono gia’ moltissimi siti e forum che si occupano di scambio open source di modelli 3D da stampare o anche solo di stampa su commissione conto terzi. Se ripensiamo al paragone con le stampanti classiche, se in questo caso bastava una qualsiasi immagine, per utilizzare una stampante 3D e’ necessario realizzare un modello tridiemnsionale da dare in pasto alla stampante. Per poter far questo ci sono ovviamente potenti software CAD ma anche tanti programmi gratuiti piu’ semplici gia’ scaricabili dalla rete.

Alla luce di quanto discusso, sicuramente il discorso sulle stampanti 3D e’ destinato ancora a crescere. In un futuro non troppo lontano, potremmo avere a disposizione strumenti domestici per realizzare l’oggetto che desideriamo. Inutile nascondere che questo qualche sospetto potrebbe destarlo. Solo pochi mesi fa si e’ molto discusso del progetto di una pistola in plastica perfettamente funzionante ed in grado di uccidere realizzabile con una stampante 3D ed i cui progetti erano finiti in rete. A parte questo “particolare”, quello delle stampanti 3D e’ sicuramente un mercato destinato a crescere e su cui moltissime aziende stanno fortemente puntando.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Pannelli, pannelli e pannelli

12 Mar

Qualche post fa, parlando del futuro delle energie rinnovabili, abbiamo visto alcuni dei grandi progetti pensati da qui a qualche anno. In particolare, il progetto DESERTEC, che pero’ sta avendo qualche problema gestionale iniziale, e soprattutto i grandi impianti dei paesi arabi che molto stanno investendo in questi settori:

Energia solare nel deserto

Ora, come sottolineato in questo articolo, molto spesso i non addetti ai lavori tendono a mescolare le diverse tecnologie solari, parlando semplicemente di “pannelli”. In realta’, e’ necessario fare delle distinzioni ben precise, distinguendo le diverse soluzioni in base al principio fisico che ne e’ alla base. Proprio per questo motivo, ho deciso di scrivere questo post, appunto per illustrare le diverse tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare, sempre mantenendo un profilo divulgativo e senza entrare troppo in dettagli che potrebbero risultare noiosi. Ovviamente, chi poi vorra’ avere informazioni aggiuntive, potra’ contattarmi oppure cercare in rete la vastissima bibliografia che molto facilmente potete reperire su questi argomenti.

A questo punto, prima di tutto, vogliamo distinguere tre grandi categorie di pannelli, parlando di fotovoltaico, solare termico e solare termodinamico. Come vedremo, anche se possono sembrare simili, le tre soluzioni sono radicalmente differenti dal punto di vista tecnico-scientifico. Anche l’utilizzo e la diffusione di queste soluzioni risulta molto diversificata ed, in particolare, come vedremo, ad esempio il solare termodinamico e di piu’ recente introduzione e ancora in fase di importante sviluppo.

Pannello fotovoltaico

Elemento base di questo pannello e’ la cella fotovoltaica. La cella si presenta come una superficie nera o bluastra, ricoperta da un materiale semiconduttore, tra i quali il piu’ diffuso e’ certamente il silicio. Le celle standard prodotte a livello industriale hanno forme quadrate con lati da 4 o 6 pollici, anche se esitono esemplari piu’ piccoli utilizzati per alimentare calcolatrici e orologi.

Pannelli fotovoltaici in cui si vedono chiaramente le singole celle

Pannelli fotovoltaici in cui si vedono chiaramente le singole celle

Il principio di funzionamento della celle e’ appunto noto come “Effetto fotovoltaico”. Quando la luce incide sulla superficie della cella, questa si comporta come un generatore di corrente continua, sfruttando proprio le proprieta’ intrinseche del semiconduttore. Per ottenere una tensione maggiore, un certo numero di celle vengono connesse in serie per formare poi il pannello solare che tutti conosciamo.

Nel pannello fotovoltaico dunque, la radiazione solare viene convertita, attraverso il semiconduttore, direttamente in una corrente elettrica.

Purtroppo la connessione in serie implica una serie di problemi, come ad esempio la diminuzione di potenza del modulo se una o piu’ celle si trovano in ombra rispetto alle altre. In questo caso, e’ necessario assicurare una illuminazione uniforme di tutte le celle o in alternativa utilizzare moduli per l’inseguimento solare. Quest’ultima soluzione e’ utilizzata anche per migliorare l’esposizione in generale del pannello, consentendo a questo di ruotare offrendo sempre la propria area attiva in direzione del Sole. Come potete capire bene, l’utilizzo di motori per la rotazione implica ovviamente anche un consumo di energia, per cui e’ sempre necessario trovare un buon compromesso in queste soluzioni.

Poiche’, come detto, le celle si comportano come generatori di corrente, i pannelli devono poi essere collegati ad un inverter il cui compito e’ appunto quello di trasformare la tensione in alternata e quindi, poter immetere la produzione nella rete elettrica o anche per l’utilizzo nelle nostre abitazioni.

Ovviamente, come tutti sapete, il pannello fotovoltaico e’ quello maggiormente utilizzato ed e’ quello che viene utilizzato anche per la costruzione dei campi fotovoltaici, visibili in diverse zone, e che vengono costruiti appunto per la produzione e vendita dell’energia elettrica.

Solare Termico

Questo tipo di impianti viene utilizzato per catturare l’energia solare, immagazzinarla ed utilizzarla per scopi diversi. Tra questi, quelli maggiormente diffusi sono quelli per la produzione di acqua calda sanitaria, cioe’ per la produzione di acqua calda da utilizzare in casa. Come potete facimemte capire, in questo caso, questi impianti lavorano in sostituzione o di concerto con la caldaia che invece utilizza gas naturale.

Impianto solare termico domestico per acqua calda sanitaria

Impianto solare termico domestico per acqua calda sanitaria

I pannelli termici possono essere di vari tipi, anche se i piu’ diffusi sono costituiti da una lastra di rame, percorsa da una serpentina, e verniciata di nero. L’intero pannello e’ poi coperto da una lastra di vetro.

In questo caso, molto spesso si possono vedere sui tetti delle abitazioni dei pannelli in cui nella parte alta sono facilmente distinguibili serbatoi d’acqua. In questa soluzione, l’energia solare catturata viene utilizzata immediatamente per riscaldare appunto il fluido ed utilizzarlo nell’abitazione. Solo per completezza, ci sono diverse tipologie di impianti che vengono distinte in base alle temperature di esercizio e che possono variare tra 120 gradi (bassa temperatura) fino anche a 1000 gradi (alta temperatura) quando utilizzati in impianti industriali.

Solare Termodinamico

In questo caso, il principio di funzionamento e’ del tutto simile a quello termico, ma con l’aggiunta di un ciclo termodinamico detto ciclo Rankine. I pannelli solari termodinamici hanno forme paraboliche per poter concentrare la radiazione solare e proprio per questo sono anche detti impianti a concentrazione.

A differenza degli impianti termici domestici, nel solare termodinamico l’energia termica accumulata viene utilizzata attraverso una turbina a vapore o anche un alternatore per produrre energia elettrica. Inoltre, l’energia termica puo’ essere accumulata in modo da essere sfruttata anche durante la notte o in condizioni di cielo nuvoloso garantendo in questo modo una produzione costante e non intermittente come avviene nelle soluzioni precedentemente viste.

Impianto solare termodinamico con pannelli a concentrazione

Impianto solare termodinamico con pannelli a concentrazione

L’immagazzinamento dell’energia termica avviene mediante un fluido termovettore adatto appunto ad immagazzinare e trasportare il calore nel punto di conversione in energia elettrica. Nella prima generazione di impianti termodinamici, veniva utilizzato come fluido un olio diatermico, questo e’ stato poi sostituito con una miscela di sali fusi, molto piu’ efficienti ed in gradi di trattenere per tempi piu’ lunghi il calore. Proprio il fluido termovettore e’ quello che garantisce la produzione di energia durante la notte. Il calore accumulato dal fluido durante l’esposizione al sole, rimane immagazzinato per diverse ore, in alcuni casi anche giorni, garantendo in questo modo una produzione costante.

Come visto nell’articolo precedente, proprio questo genere di pannelli, grazie al principio fisico che sfruttano, possono anche essere utilizzati in condizioni estreme, come ad esempio il deserto del Sahara. Ad oggi pero’, il costo dell’energia prodotta con questi sistemi e’ ancora 5-6 volte maggiore rispetto a quello di altre soluzioni percorribili. Il motivo di questo e’ da ricercarsi nella relativa giovane eta’ di questa tecnologia e soprattutto nella mancanza ancora di una produzione industriale massiccia di questi pannelli. In questo senso, la ricerca, soprattutto nella migliore concentrazione solare e nel piu’ vantaggioso fluido da utilizzare, sta andando avanti molto velocemente. Questo ci spinge a pensare che nel giro di pochi anni questa diverra’ una tecnologia sfruttabile a pieno e da cui si potranno avere buone produzioni energetiche anche in diverse parti del mondo.

Concludendo, come abbiamo visto, non possiamo parlare semplicemente di pannelli confondendo soluzioni radicalmente diverse tra loro. I principi tecnico-scientifici alla base di ciascuna soluzione sono radicalmente diversi, anche dal punto di vista dell’utilizzo. A livello di ricerca, il solare termodinamico sta portando importanti risultati e molto probabilmente, nel giro di pochi anni, questa soluzione potra’ avere costi piu’ contenuti e dunque una maggiore diffusione su scala mondiale.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Energia solare nel deserto

9 Mar

Parlando scientificamente di promesse politiche, in un post precedente avevamo discusso insieme alcuni dei futuri verdi utilizzati dai nostri politici in campagna elettorale:

Elezioni, promesse verdi e protocollo di Kyoto

Successivamente poi, sempre parlando di green economy, abbiamo analizzato invece il grande progetto Masdar che gli Emirati Arabi stanno portando avanti con decisione per creare la prima citta’ ad emissioni zero:

Il futuro verde comincia da Masdar

In questi giorni, un nostro lettore ha invece lasciato un interessante commento per chiedere quali potrebbero essere i risvolti futuri dell’utilizzazione delle rinnovabili, anche alla luce del progetto Masdar.

Prima di parlare di questo, vi ricordo che potete in ogni momento porre domande o chiedere delucidazioni su argomenti specifici, lasciando un commento in questa pagina:

Richiedi e suggerisci argomenti!

In questo post, vorrei continuare a concentrarmi sull’energia solare, dal momento che questa fonte rappresenta in larga parte quella piu’ utilizzata ma anche quella meglio conosciuta anche dai non addetti ai lavori.

In tal senso, ripartiamo sempre dai paesi arabi ed in particolare dall’Arabia Saudita. In questo paese infatti, e precisamente nella citta’ di Riyad, si sta costruendo il piu’ grande impianto solare termico del mondo.

La struttura occupera’ un’area di 36000 metri quadri, corrispondenti a circa 5 campi da calcio, e servira’ per dare energia alla Princess Nora Bint Abdul Rahman, la prima universita’ al mondo per sole donne e che vanta qualcosa come 40000 iscritte.

Per darvi un’idea dei numeri, l’investimento totale ammonta a circa 4,7 milioni di dollari.

Per un non esperto, sembrerebbe scontata l’idea di utilizzare l’energia solare direttamente nel deserto, dove l’intensita’ dei raggi e’ molto elevata. Questo in realta’ e’ completamente falso.

Al contrario di quanto si pensa, l’alta temperatura di queste zone, riduce notevolmente l’efficienza dei pannelli al silicio. Inoltre, le continue tempeste di sabbia, opacizzano la superficie dei vetri, diminuendo ancora la produzione di energia. Proprio per questo, parliamo invece di soluzioni che utilizzano sali fusi per alimentare turbine elettriche e produrre energia.

Come discusso nei post precedenti, anche se a prima vista puo’ sembrare strano, i paesi arabi, i piu’ ricchi di petrolio, gia’ da tempo stanno investendo notevoli risorse nelle energie rinnovabili. Il perche’ di questo e’ facilmente intuibile. In primis, questi paesi meglio di chiunque altro sanno che il petrolio e’ una risorsa non infinita e prima o poi la sua disponibilita’ comincera’ a venire meno. In questo scenario completamente diverso da quello a cui siamo abituati, le rinnovabili non saranno piu’ un’alternativa, ma una necessita’. Detto questo e’ ovvio che chi oggi investe in queste risorse, domani potrebbe avere un ruolo di controllo favorito rispetto agli altri. Altro punto importante e’ che i paesi arabi sanno molto bene che e’ molto piu’ conveniente vendere il petrolio piuttosto che utilizzarlo in casa. Nell’ottica di un prezzo sempre crescente, preferiscono utilizzare metodi alternativi in casa e destinare il petrolio alle esportazioni.

Piccola parentesi scientifica, dal momento che spesso sento una gran confusione sulle diverse soluzioni, nel prossimo post cercheremo di fare un po’ di chiarezza distinguendo tra fotovoltaico, solare termodinamico e a concentrazione. Tecniche che spesso vengono confuse, parlando semplicemente di pannelli solari. Nel prossimo post cercheremo dunque di fare un po’ di chiarezza, presentando le diverse soluzioni e confrontando pregi e difetti di ciascuna di queste.

Messo da parte l’impianto di Riyad, l’atro grosso progetto di cui vorrei parlare e’ invece DESERTEC.

Il progetto Desertec e’ un progetto globale basato su diverse energie rinnovabili sfruttate nelle zone in cui queste sono maggiormente disponibili per la produzione di energia elettrica per tutta l’Europa. La parte principale del progetto e’ ovviamente quella che viene dal solare e che verrebbe sfruttata direttamente nelle zone vicine al Sahara. La corrente elettrica verrebbe poi trasportata madiante cavidotti in Europa.

Questo e’ un schema del progetto, con le diverse fonti rinnovabili e le linee di trasmissione dell’energia dai luoghi di produzione all’Europa:

Schema di produzione e distribuzione dal Sahara in Europa

Schema di produzione e distribuzione dal Sahara in Europa

Il progetto e’ sponsorizzato da 21 societa’ e 36 partner in 15 paesi per un investimento totale di 400 miliardi di dollari. Il progetto e’ stato lanciato nel 2009 con lo scopo di incrementare anche l’economia di molti paesi emergenti soprattutto nel nord Africa.

L’ambizioso progetto prevede la fornitura di circa il 20% dell’energia necessaria all’Europa.

Purtroppo, negli ultimi anni, complice anche la crisi globale, il progetto ha subito notevoli ritardi. La prima istallazione che avrebbe ufficialmente dato il via a Desertec era attesa per quest’anno, con la costruzione di una centrale solare termica da 150MW, interamente finanziata a realizzata dalla Spagna. Questo progetto e’ stato completamente cancellato.

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Oltre alla Spagna, altre due grandi societa’, la Siemes e la Bosch, si sono ufficialmente ritirate dal progetto, a causa dei notevoli ritardi e del non sicuro ritorno degli investimenti fatti.

Nonostante queste defezioni, il progetto sembra andare avanti anche se con notevoli punti interrogativi.

Oltre alle difficolta’ tecniche e alla ricerca necessaria per costruire un impianto cosi’ all’avanguardia, quello che da sempre rappresenta un problema nella realizzazione di Desertec sono gli equilibri politici della zona. Come vedete dalla mappa, il progetto prevede una stretta collaborazione tra i  paesi europei e quelli del nord Africa. Non diciamo nulla di nuovo sostenendo che gli equilibri politici di questi paesi sono da sempre precari e molto a rischio. In un impianto del genere, molti paesi europei diverrebbero dipendenti energeticamente da altri paesi non propriamente liberi. Inoltre, nello schema attuale, alcuni impianti si troverebbero in zone di confine molte delicate e che separano paesi da sempre non in buoni rapporti tra loro.

Concludendo, i paesi arabi si stanno dimostrando sempre piu’ innovatori ed investitori nelle energie rinnovabili. Come visto anche negli articoli precedenti, molto probabilmente questi paesi continueranno a tenere lo scettro energetico mondiale grazie anche ai massicci investimenti fatti oggi in questi settori. Per quanto riguarda Desertec, il progetto e’ estremamente affascinante dal punto di vista tecnico ed offrirebbe una valida alternativa verde al futuro energetico dell’Europa. Purtroppo, complici gli equilibri politici africani e la crisi che sta interessando molte aziende europee, il progetto sembrerebbe essersi arenato. Questo ovviamente non esclude una futura ripresa e la continua ricerca in questi settori per lo studio di soluzioni sempre migliori e sempre piu’ sostenibili.

 

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