Lo stato dell'arte - ae-review
 

Lo stato dell'arte

L’Energia ha trovato casa

di Luca Mazzari
Generelia è una giovane società nata per la  progettazione e la realizzazione di impianti di energia rinnovabile, come quella fotovoltaica, eolica, geotermica.
La necessità di rendere visibile il proprio lavoro, fatto di sensibilità e competenza, ha portato l’azienda a trasferire la propria sede in un edifico esistente di tre piani, posto lungo strada, per garantire un rapporto diretto con il vasto pubblico, sempre più consapevole e incuriosito dalla produzione autonoma di energia elettrica.
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Il progetto di riqualificazione, realizzato dallo studio Archifax di Genova, passa attraverso l’adeguamento di un vecchio edificio post-industriale, vicino alla cittadina di Gattorna, in Valfontanbuona, le cui vicende lo avevano portato negli anni ad essere prima autorimessa, poi esposizione di mobili, per restare chiuso molti anni, fino al suo recente recupero.
Il progetto mantiene l’esile struttura originaria intatta, ripulita da tutti gli orpelli preesistenti come pavimenti stratificati e divisioni che negli anni ne avevano reso invisibile la configurazione originale, elegante nella sua semplicità.
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Una struttura bianca, essenziale, luminosa, con i lunghi pilastri di facciata ancorati sulla roccia del torrente sottostante, essenziale e luminosa come l’energia che si progetta sui grandi tavoli circolari che al piano di ingresso cingono le colonne tematiche, attorno alle quali si sviluppano i progetti più complessi, fino al concepimento e alla realizzazione di interi edifici in classe A.
Al piano superiore, oltre agli spazi per uffici commerciali, l’area più vasta è dedicata ai grandi tavoli rettangolari nei quali progettare, confrontarsi, fare ricerca innovativa, nella consapevolezza diffusa che il nuovo tema energetico sia sempre più legato a nuovi linguaggi espressivi dell’architettura, originali e inaspettati.
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Lunghe le pannellature in legno, fissate alle pareti opposte alle vetrate di facciata, sono fissati modelli, disegni, progetti, immagini di realizzazione, in grado di sollecitare e promuovere lo spirito progettuale che anima l’intero edificio.
Al piano sottostrada, un laboratorio per produrre prototipi, sperimentare nuove tecnologie, realizzare gli impianti speciali. Sulle vetrate delle due lunghe facciate, scandite dai bianchi pilastri e dall’esile struttura in ferro, anch’essa bianca,  le grandi insegne trasparenti, che la notte, illuminate dalle luci fluorescenti e continue dei soffitti, riverberano di un caldo arancio la valle circostante.

Tetto fotovoltaico

di Marco Cuomo
 
Il Sistema Modular System è stato brevettato con il fine di realizzare degli impianti fotovoltaici integrati e capaci di soddisfare le diverse esigenze di fabbisogno energetico provenienti dall’edificio. Dunque, il tetto diventa un luogo tecnologico in cui la copertura è elemento tecnico strategico per le trasformazioni ambientali della realtà costruita.
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L’approfondimento di seguito presentato evidenzia nello specifico una azione di rigenerazione dei fabbricati industriali. Infatti le coperture industriali costituite da laminati metallici, pannelli sandwich, lastre in fibrocemento e lastre in compositi di resina possono integrarsi con moduli fotovoltaici trasformando il tetto in un elemento tecnologico bistabile, e non solo con funzioni di protezione dell’organismo edilizio. L’intervento di San Giuliano Milanese visualizzato nell’immagini rappresenta ad oggi uno dei più grandi interventi di impianti fotovoltaici italiani integrati e ventilati. L’impianto è costituito da n. 4079 moduli e n. 9 inverter centralizzati con una producibilità annua di 950.000 KWh. È interessante evidenziare che il suddetto intervento permette anche la bonifica da amianto del vecchio manto di copertura; pertanto completata la sostituzione dei pannelli in fibrocemento si può agevolmente installare il nuovo impianto fotovoltaico.
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Caratteristica fondamentale in suddetta opera è la creazione della ventilazione attraverso una soluzione equivalente a un tetto ventilato il quale consente di soddisfare le esigenze di massimo rendimento permettendo un raffrescamento delle celle fotovoltaiche. Inoltre l’uso di passerelle brevettate permette agli operatori di raggiungere l’intera superficie del tetto senza camminare sul vetro e profili dei moduli, agevolando di fatto tutte le operazioni di manutenzione in sicurezza al fine di garantire il corretto mantenimento nel tempo delle performance del generatore fotovoltaico.
Questo esempio di modello tecnologico permette di raggiungere dei risultati di sicuro interesse prestazionale, e allo stesso tempo consente l’armonizzazione dell’oggetto edilizio con le caratteristiche ambientali e climatiche del sito in cui è ubicato. L’auspicio è che queste prime favorevoli esperienze possano diventare di riferimento per le nuove politiche di governace del territorio.
 
Approfondimenti: www.fotovoltaicosystem.org

Sole

di Maria Grazia Capra 
 

L'uomo, fin dalle sue origini, ha reso oggetto di attenzioni e spesso venerazione molti fenomeni naturali, tra cui il Sole. Le prime conoscenze astronomiche dell'uomo preistorico, che riteneva le stelle dei puntini immutabili "incastonati" nella sfera celeste, consistevano essenzialmente nella previsione dei moti del Sole, della Luna e dei pianeti sullo sfondo delle stelle fisse. Un esempio di questa "protoastronomia" è dato dagli orientamenti dei primi monumenti megalitici, che tenevano conto della posizione del Sole nei vari periodi dell'anno: in particolare i megaliti di Nabta Playa (in Egitto) e Stonehenge (in Inghilterra) erano stati costruiti tenendo conto della posizione dell'astro durante il solstizio d'estate. Molti altri monumenti dell'antichità sono stati costruiti tenendo in considerazione i moti apparenti del Sole: un esempio è il Tempio di Kukulkan (meglio noto come El Castillo) a Chichén Itzá, nel Messico, che è stato progettato per proiettare ombre a forma di serpente durante gli equinozi. Il moto apparente del Sole sullo sfondo delle stelle fisse e dell'orizzonte fu utilizzato per redigere i primi calendari, impiegati per regolare le pratiche agricole. Rispetto alle stelle fisse, infatti, il Sole sembra compiere una rotazione attorno alla Terra nell'arco di un anno (sul piano dell'eclittica, lungo la fascia zodiacale); per questo la nostra stella, contrariamente a quanto oggi noto, fu considerata dagli antichi astronomi greci come uno dei pianeti che ruotavano attorno alla Terra, la quale era ritenuta al centro dell'Universo; tale concezione prende il nome di sistema geocentrico o sistema aristotelico-tolemaico.

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Una delle prime "spiegazioni scientifiche" sul Sole venne fornita dal filosofo greco Anassagora, che lo immaginava come una grande sfera di metallo infiammato più grande del Peloponneso e riteneva impossibile che potesse esser trascinato dal carro del dio Helios. Per aver insegnato questa dottrina, considerata "eretica", venne accusato dalle autorità di empietà, imprigionato e condannato a morte (però venne in seguito rilasciato per intervento di Pericle).
Eratostene di Cirene, probabilmente, fu il primo a calcolare accuratamente la distanza della Terra dal Sole, nel III secolo a.C.; secondo quanto tramandatoci da Eusebio di Cesarea, egli calcolò la distanza dalla nostra stella in 4 080 000 stadi, equivalenti a 149 milioni di chilometri: un risultato sorprendentemente molto simile a quello attualmente accettato, da cui differisce di appena l'1%.
Un altro scienziato che sfidò le credenze del suo tempo fu Nicolò Copernico, che nel XVI secolo riprese e sviluppò la teoria eliocentrica (che considerava il Sole al centro dell'Universo), già postulata nel II secolo a.C. dallo scienziato greco Aristarco di Samo. È grazie anche all'opera di importanti scienziati del XVII secolo, come Galileo Galilei, Cartesio e Newton, che il sistema eliocentrico arrivò, infine, a prevalere su quello geocentrico.
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Galileo fu inoltre il pioniere dell'osservazione solare, grazie al cannocchiale; lo scienziato pisano scoprì nel 1610 le macchie solari, che riteneva essere dei piccoli oggetti che transitavano tra la Terra ed il Sole, tuttavia l'osservazione diretta del Sole costò a Galileo la perdita quasi totale della vista.

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Isaac Newton, il padre della legge di gravitazione universale, osservò la luce bianca solare attraverso un prisma, dimostrando che essa era composta da un gran numero di gradazioni di colore, mentre verso la fine del XVIII secolo William Herschel scoprì la radiazione infrarossa, presente oltre la parte rossa dello spettro solare. Nel XIX secolo la spettroscopia conseguì enormi progressi: Joseph von Fraunhofer, considerato il "padre" di questa disciplina, effettuò le prime osservazioni delle linee di assorbimento dello spettro solare, che attualmente vengono chiamate, in suo onore, linee di Fraunhofer.

Nei primi anni dell'era scientifica moderna gli scienziati si interrogavano su quale fosse la causa dell'energia solare. William Thomson, I barone Kelvin, ipotizzò che il Sole fosse un corpo liquido in graduale raffreddamento, che emetteva nello spazio la sua riserva interna di calore; l'emissione energetica venne spiegata da Kelvin e Hermann von Helmholtz attraverso la teoria detta meccanismo di Kelvin-Helmholtz, secondo la quale l'età del Sole era di 20 milioni di anni: un valore nettamente inferiore ai 4,6 miliardi di anni suggeriti per il nostro pianeta dagli studi geologici.

Nel 1890 Joseph Lockyer, scopritore dell'elio nello spettro solare, suggerì che la stella si fosse formata dalla progressiva aggregazione di frammenti rocciosi simili alle meteore.

Una possibile soluzione alla discrepanza tra il dato di Kelvin-Helmholtz e quello geologico arrivò nel 1904, quando Ernest Rutherford suggerì che l'energia del Sole potesse essere originata da una fonte interna di calore, generata da un meccanismo di decadimento radioattivo.
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Fu tuttavia Albert Einstein a fornire lo spunto decisivo sulla questione, con la sua relazione massa-energia E=mc². Lo stesso Einstein riuscì a dimostrare tra il 1905 ed il 1920 la ragione del particolare moto orbitale di Mercurio, attribuita inizialmente alle perturbazioni di un pianeta più interno, chiamato dagli astronomi Vulcano. Einstein suppose che il particolare moto del pianeta non fosse dovuto ad alcuna perturbazione planetaria, bensì al campo gravitazionale del Sole, la cui enorme massa genera una curvatura dello spazio-tempo. L'entità della curvatura dipenderebbe dalla relazione:
G x M/R x c², dove G è la costante di gravitazione universale, M è la massa del corpo, R indica la deflessione dei raggi (misurata in gradi) e c è la velocità della luce nel vuoto.

Tale curvatura sarebbe dunque responsabile della precessione del perielio del pianeta e della lieve deflessione che la luce e qualunque altra radiazione elettromagnetica, in conseguenza della teoria della relatività generale, subirebbe in prossimità del campo gravitazionale del Sole. Si è calcolato che la curvatura spaziotemporale provocherebbe uno spostamento nella posizione di una stella pari a 1,7 secondi d'arco. Nel 1919 il fisico inglese Arthur Eddington confermò la teoria in occasione di un'eclissi. L'anno successivo il fisico inglese ipotizzò che l'energia solare fosse il risultato delle reazioni di fusione nucleare, causate dalla pressione e dalla temperatura interna del Sole, che trasformerebbero l'idrogeno in elio e produrrebbero energia a causa della differenza di massa. La teoria venne ulteriormente sviluppata negli anni trenta dagli astrofisici Subrahmanyan Chandrasekhar e Hans Bethe; quest'ultimo studiò nei dettagli le due principali reazioni nucleari che producono energia nelle stelle, ovvero la catena protone-protone ed il ciclo del carbonio-azoto, calcolando il quantitativo energetico sviluppato da ciascuna reazione.

Nel 1957 venne poi pubblicato un articolo, intitolato Synthesis of the Elements in Stars, in cui veniva proposto un modello consistente con i dati a disposizione, e a tutt'oggi valido, secondo il quale la maggior parte degli elementi nell'Universo furono creati dalle reazioni nucleari all'interno delle stelle, a eccezione di idrogeno, elio e litio, formatisi in massima parte durante la nucleosintesi primigenia e dunque già presenti in notevole quantità prima che si formassero le prime stelle.

Con l'avvento, nei primi anni cinquanta, dell'era spaziale e l'inizio delle esplorazioni del sistema solare, numerose sono state le sonde appositamente progettate per studiare la nostra stella.

I primi satelliti progettati per osservare il Sole furono i Pioneer 5, 6, 7, 8 e 9 della NASA, lanciati tra il 1959 e il 1968. Le sonde orbitarono attorno al Sole ad una distanza di poco inferiore a quella dell'orbita terrestre ed effettuarono le prime misure dettagliate del vento e del campo magnetico solare. La sonda Pioneer 9 operò per molto tempo, trasmettendo dati fino al 1987.

Negli anni settanta la sonda Helios 1 e la stazione spaziale Skylab fornirono agli scienziati nuovi e significativi dati sull'emissione del vento solare e sulla corona. Ulteriori dati sono stati forniti dalla sonda della NASA Solar Maximum Mission, lanciata nel 1980, che aveva lo scopo di osservare le radiazioni ultraviolette, i raggi gamma ed X emanati dai flare solari durante il periodo di massima attività.

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Gli anni novanta videro il lancio di numerose sonde, come la giapponese Yohkoh (1991), progettata per osservare i flare solari alle lunghezze d'onda dei raggi X, e la Solar and Heliospheric Observatory (SOHO, 1995), frutto della collaborazione tra ESA e NASA; quest'ultima in particolare ha garantito sin dal suo lancio una costante osservazione della nostra stella in gran parte delle lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico, permettendo anche la scoperta di un gran numero di comete radenti.

Queste sonde hanno tuttavia effettuato osservazioni dettagliate solamente delle regioni equatoriali del Sole, visto che le loro orbite erano situate sul piano dell'eclittica. La sonda Ulysses venne invece progettata per studiare le regioni polari, operando anche misurazioni del vento solare e dell'intensità del campo magnetico. Lanciata nel 1990, la Ulysses fu inizialmente diretta verso Giove in modo da sfruttare l'effetto fionda gravitazionale del gigante gassoso ed allontanarsi dal piano delle orbite planetarie. Nel 1998 fu lanciata la sonda TRACE, finalizzata ad individuare le connessioni tra il campo magnetico della stella e le strutture di plasma associate, grazie anche all'ausilio di immagini ad alta risoluzione della fotosfera e della bassa atmosfera del Sole.

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A differenza della fotosfera, ben studiata attraverso la spettroscopia, la composizione interna del Sole è poco conosciuta. La missione Genesis fu progettata per prelevare dei campioni di vento solare e avere una misura diretta della composizione della materia costituente la stella. Nel 2006 è stata lanciata la missione Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), che consiste di due navicelle identiche poste in orbite che permettono di ottenere una visione stereoscopica della stella.
Il Sole è la stella madre del sistema solare, attorno al quale orbitano nove pianeti (tra cui la Terra),i loro satelliti, innumerevoli altri corpi minori e la polvere diffusa per lo spazio, che forma il mezzo interplanetario. Il Sole costituisce da solo il 99,8% della massa del sistema. Il Sole è, propriamente, una stella di dimensioni medio-piccole costituita essenzialmente da idrogeno (circa il 74% della sua massa, il 92% del suo volume) ed elio (circa il 24-25% della massa, il 7% del volume), cui si aggiungono altri elementi più pesanti presenti in tracce. È classificata come una nana gialla di tipo spettrale G2 V: G2 indica che la stella ha una temperatura superficiale di circa 5 780 K (5 507 °C), caratteristica che le conferisce un colore bianco, che però appare giallo a causa dello scattering dell'atmosfera terrestre; la V (5 in numeri romani) indica che il Sole, come la maggior parte delle stelle, è nella sequenza principale, ovvero in una lunga fase di equilibrio stabile in cui l'astro fonde, nel proprio nucleo, l'idrogeno in elio. Tale processo genera ogni secondo una grande quantità di energia (equivalente a 3,83 × 1026 J, emessa nello spazio sotto forma di radiazione elettromagnetica (radiazione solare) e flusso di particelle (vento solare). La radiazione solare, emessa fondamentalmente come luce visibile ed infrarossi, consente la vita sulla Terra fornendo l'energia necessaria ad attivare i principali meccanismi che ne stanno alla base; inoltre l'insolazione della superficie terrestre regola il clima e la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
Collocato all'interno del Braccio di Orione, braccio galattico secondario, il Sole orbita attorno al centro della Via Lattea ad una distanza media di circa 26 000 anni luce e completa la propria rivoluzione in 225-250 milioni di anni. Tra le stelle più vicine, poste entro un raggio di 17 anni luce, il Sole è la quinta più luminosa in termini intrinseci: la sua magnitudine assoluta, infatti, è pari a +4,83. Se fosse possibile osservare la nostra stella da α Centauri, il sistema stellare più vicino, essa apparirebbe nella costellazione di Cassiopea con una magnitudine apparente di 0,5.
Raffronto tra le dimensioni apparenti del Sole viste dai pianeti del sistema solare; dalla Terra, il diametro angolare apparente misura, in media, 32' 03".
Il Sole è l'unica stella la cui forma possa essere apprezzata semplicemente alla vista, grazie al suo diametro angolare apparente medio di 32' 03" d'arco, che varia però a seconda del punto in cui la Terra si trova nel corso della sua orbita: raggiunge infatti il valore massimo (32' 35") quando il nostro pianeta si trova al perielio, mentre il valore minimo (31' 31") all'afelio. Simili dimensioni apparenti consentono, previo l'utilizzo di particolare strumentazione ed adeguate protezioni, di osservare i dettagli della superficie della nostra stella allo scopo di rivelare e studiare i fenomeni che la caratterizzano. A occhio nudo è possibile distinguere il disco solare al tramonto o in presenza di nebbia e nubi, quando l'intensità luminosa è sensibilmente minore. Tali osservazioni permettono, seppure in rare circostanze, di osservare delle macchie solari particolarmente estese. Utilizzando poi un modesto telescopio, dotato di un adeguato filtro o utilizzato per proiettare l'immagine della stella su uno schermo bianco, è possibile osservare agevolmente le macchie solari e i brillamenti. Tuttavia, a causa dei rischi a cui è soggetta la retina dell'occhio, l'osservazione del Sole senza le giuste protezioni è dannosa alla vista: infatti, la forte radiazione può provocare la morte di parte delle cellule della retina, deputate alla visione, oppure la degenerazione di alcune strutture oculari, come il cristallino.
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Per una fortuita coincidenza, la combinazione delle dimensioni e della distanza dalla Terra del Sole e della Luna è tale che i due astri si presentano nel cielo pressappoco col medesimo diametro apparente; tale situazione è all'origine di periodiche occultazioni della stella da parte del nostro unico satellite naturale, che prendono il nome di eclissi solari; le eclissi totali, in particolare, consentono di visualizzare la corona solare e le protuberanze.
Un' altra osservazione riguarda il suo moto apparente nella volta celeste. Tale moto nell'arco della giornata è sfruttato nella scansione delle ore, con l'aiuto di strumenti preposti come le meridiane.
Inoltre, la stella sembra compiere in un anno un tragitto lungo la fascia zodiacale che varia di giorno in giorno. La traiettoria descritta dal Sole, rilevata determinando la sua posizione alla stessa ora ogni giorno durante l'anno, prende il nome di analemma ed ha una forma somigliante al numero 8, allineato secondo un asse nord-sud. La variazione della declinazione solare annua in senso nord-sud è di circa 47° (per via dell'inclinazione dell'asse terrestre rispetto all'eclittica di 66° 33', causa fondamentale dell'alternarsi delle stagioni); vi è anche una piccola variazione in senso est-ovest causata dalla differente velocità orbitale della Terra, che, nel rispetto delle leggi di Keplero, è massima al perielio e minima all'afelio.
In qualsiasi momento il Sole trasmette sull'orbita terrestre 1367 watt per . Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare medio è, alle latitudini europee, di circa 200 watt/m². Moltiplicando questa potenza media per metro quadro per la superficie dell'emisfero terrestre istante per istante esposto al sole si ottiene una potenza maggiore di 50 milioni di GW (un GW - gigawatt - è circa la potenza media di una grande centrale elettrica).
La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa diecimila volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, questa sarà la sfida futura che consetira all'uomo di utilizzare la risorza sole con tecnologie virtuose e sotenibili.