Ci sono settori che più di altri faticano ad abbandonare i carburanti fossili. Per le industrie energivore il problema principale sono le elevate temperature necessarie a sostenere i processi, che meno si prestano ai “classici” approcci della decarbonizzazione. Oggi però un gruppo di scienziati in Svizzera ha trovato il modo di usare il calore solare ai fini industriali raggiungendo temperature superiori ai 1.000°C.
Il lavoro appartiene agli ingegneri Emiliano Casati, Leo Allgöwer e Aldo Steinfeld dell’ETH Zurigo. Il punto di partenza? La tecnologia dei ricevitori solari, che tramite specchi o riflettori concentra i raggi luminosi per ottenere energia termica ad alta temperatura. Idealmente i ricevitori possono raggiungere i 3.000°C ma nella pratica presentano prestazioni scadenti quando la temperatura di processo supera i 1.000°C. Senza contare che i costi crescono con l’aumento delle prestazioni termiche richieste.
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Per aumentare l’efficienza di questi dispositivi e sfruttare al meglio il calore solare, Casati ha concentrato la sua attenzione su materiali semitrasparenti capaci di intrappolare la luce, un fenomeno chiamato “effetto di trappola termica”.
“Molti materiali e gas semitrasparenti di interesse pratico, ad esempio acqua, quarzo, CO2 e metano – presentano proprietà ottiche selettive caratterizzate da un coefficiente di assorbimento con valori più elevati nella gamma dell’infrarosso (IR) rispetto a quella del visibile“, si legge nella ricerca pubblicata su Device(testo in inglese). “Con un corretto abbinamento del materiale semitrasparente e della sorgente radiativa, è possibile raggiungere temperature più elevate nella maggior parte del materiale rispetto alla superficie esposta alla radiazione solare“.
Il team ha creato un dispositivo di intrappolamento termico collegando un’asta di quarzo sintetico davanti ad un disco di silicio opaco come assorbitore di energia. Illuminando il ricevitore con una luce ad una concentrazione di 136 soli, il disco ha raggiunto una temperatura di 1.050°C, mentre la faccia esterna dell’asta (quella non in contatto con l’assorbire) è rimasta a 450°C. “Le ricerche precedenti erano riuscite a dimostrare l’effetto di trappola termica solo fino a 170°C”, spiega Casati. “La nostra ricerca ha dimostrato che l’intrappolamento termico solare funziona non solo a basse temperature, ma ben al di sopra dei 1.000°C. Ciò è fondamentale per mostrare il suo potenziale per applicazioni industriali nel mondo reale“.
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Gli scienziati hanno anche simulato l’efficienza di intrappolamento termico del quarzo in diverse condizioni, dimostrando di poter raggiungere temperature target a concentrazioni più basse dei tradizionali ricevitori solari. O un’efficienza termica più elevata a parità di concentrazione.