Entro il 2050, si prevede che la domanda globale di energia raddoppierà. Ciò crea una netta contraddizione. Abbiamo bisogno di più potere che mai. Tuttavia, la crisi climatica impone di smettere di bruciare combustibili fossili. La soluzione sta nelle fonti energetiche rinnovabili. Ma c’è un problema. Questi sistemi devono essere ottimizzati per funzionare in modo efficiente. Ricercatori e ingegneri si stanno rivolgendo ai materiali compositi per risolvere questo enigma.
I progettisti di turbine eoliche si sono subito imbarcati su questo carrozzone. Avevano bisogno di lame incredibilmente leggere. Avevano anche bisogno che resistessero a condizioni difficili. La corrosione è uno dei principali nemici in questi ambienti. Le scelte tradizionali includevano resina epossidica o poliestere mescolata con fibra di vetro. Queste miscele offrivano la necessaria resistenza allo stress fisico.
I requisiti erano semplici in teoria ma difficili nella pratica. Le lame devono durare più di 30 anni. Le esigenze di manutenzione dovrebbero essere minime. Devono funzionare bene in condizioni meteorologiche casuali e imprevedibili. La posta in gioco è diventata più alta con l’aumento dei parchi eolici offshore. Le turbine in mare affrontano tempeste peggiori. Le pale si allungarono per catturare più vento. Ciò ha spinto la scienza dei materiali a un limite critico.
Gli ingegneri hanno risposto aggiungendo fibre di carbonio alla miscela. Il risultato è stato un aggiornamento significativo. Le lame sono diventate più leggere. La loro aerodinamica è migliorata. Ciò ha permesso loro di generare più elettricità per unità di volume. I miglioramenti in termini di efficienza sono stati sostanziali.
C’è un grosso problema, però. Questi materiali riciclabili per le pale delle turbine eoliche sono notoriamente difficili da abbattere. La maggior parte dei compositi sono termoindurenti. Si legano in modo irreversibile. Una volta impostati, rimangono impostati. Non si sciolgono. Ciò rende il riciclaggio quasi impossibile con i metodi attuali.
Il tempo sta già ticchettando. A partire dal 2020 circa, ogni anno centinaia di turbine eoliche dovranno essere smantellate. Quel volume non potrà che crescere. Se non riusciamo a gestire i rifiuti, la transizione verso l’energia verde si troverà di fronte a un incubo logistico. Le discariche non rappresentano una strategia sostenibile a lungo termine per le attrezzature industriali.
Squadre di scienziati hanno lavorato su questo specifico collo di bottiglia. Miravano a creare un composito che potesse effettivamente essere riciclato. La svolta consiste nel cambiare la resina di base. Invece delle resine termoindurenti, si sono rivolti alle resine termoplastiche.
Questo cambiamento è importante per due ragioni. Innanzitutto, consente il riciclaggio attraverso la depolimerizzazione. Il materiale può essere scomposto nei suoi componenti. In secondo luogo, consente di risparmiare energia durante la produzione. I materiali termoplastici spesso richiedono meno energia per essere lavorati rispetto alle resine tradizionali. Questo rende l’intero ciclo di vita della lama più pulito.
Ci stiamo muovendo verso un’economia circolare per le infrastrutture rinnovabili. Non è sufficiente generare solo energia pulita. Dobbiamo anche gestire l’hardware che lo genera. Il prossimo decennio definirà se saremo in grado di chiudere il cerchio sull’energia eolica. La scienza dei materiali si sta evolvendo rapidamente. Ma la portata dei rifiuti che si profila all’orizzonte è enorme. Possiamo tenere il passo? La risposta dipende dalla rapidità con cui questi nuovi metodi di riciclaggio si diffonderanno. Il vento continuerà a soffiare. La domanda è se potremo ripulire dopo.
I materiali nascosti che alimentano l’energia marina e quella delle celle a combustibile
Le turbine eoliche attirano tutta l’attenzione della stampa, ma la vera battaglia ingegneristica per l’energia rinnovabile si svolge sott’acqua e nelle celle a combustibile. Non si tratta solo di catturare il vento o il sole. Si tratta di sopravvivere all’ambiente.
Prendiamo le turbine idroelettriche. Operano in condizioni brutali. L’acqua salata corrode il metallo. Con il tempo corrode i cuscinetti e indebolisce l’integrità strutturale. È qui che entrano in gioco i compositi. Sono leggeri, ovviamente, il che è importante quando si tenta di far girare un rotore in modo efficiente. Ma il loro vero superpotere è la resistenza.
La resina epossidica è appena permeabile all’acqua. Funziona come uno scudo. All’interno di queste turbine si trovano gli ugelli, componenti progettati per accelerare il flusso d’acqua e catturare più energia. Sono realizzati in fibra di vetro e resina epossidica. Il materiale non arrugginisce. Non si gonfia. Regge e basta.
I compositi offrono un programma di manutenzione praticamente inesistente.
Le celle a combustibile presentano una serie di sfide diverse. Sono considerati rinnovabili solo se l’idrogeno è prodotto in modo sostenibile. Ma supponendo che esista l’idrogeno verde, l’hardware deve essere robusto. Qui, l’estere vinilico mescolato con la fibra di carbonio cambia le regole del gioco.
Queste miscele sono conduttive. Sono dimensionalmente stabili. Non bruciano. Qui conta l’applicazione pratica. Le future auto a idrogeno avranno bisogno di serbatoi di stoccaggio. I serbatoi metallici sono pesanti e soggetti a infragilimento da idrogeno. I serbatoi compositi sono più leggeri. Riducono i tempi di produzione. Si adattano ai progetti dei veicoli che il metallo rigido non può.
Superfici solari e spinta all’efficienza
I pannelli solari esistono da decenni, ma i materiali che li sostengono si stanno evolvendo. Non stiamo solo esaminando l’efficienza della cella stessa. Stiamo esaminando il ciclo di vita dell’intera installazione.
I compositi termoindurenti stanno sostituendo i telai in alluminio. Stanno sostituendo le tradizionali tegole in argilla. Il risultato è una struttura leggera, durevole e impermeabile agli agenti atmosferici. La luce solare degrada molti materiali. Questi compositi resistono.
Ma l’innovazione va più in profondità nella cella fotovoltaica. I ricercatori stanno sperimentando con film sottili. Nello specifico, una combinazione di ossidi di bismuto e manganese. Questo non è solo un rivestimento strutturale. È ottico.
La pellicola ottimizza il modo in cui la cella assorbe la luce solare. Cattura uno spettro più ampio di raggi. Più assorbimento significa più elettricità. È un sottile cambiamento nella chimica che potrebbe aumentare significativamente la produzione.
La tendenza è chiara. Ci stiamo allontanando dai metalli pesanti, conduttivi e corrosivi. Ci stiamo muovendo verso materiali ingegnerizzati che durano più a lungo. Il settore energetico non sta cambiando solo ciò che brucia o ciò che cattura. Sta cambiando ciò da cui è costruito. E quel cambiamento è strutturale.
