La mission impossible del COBAT

Più di 500 portatori, 1500 tonnellate di tecnologia trasportata a spalle fino a 5500 metri di altitudine, i numeri della missione estrema concepita per dimostrare che il rispetto ambientale non conosce limiti

Sta per iniziare l’ascesa del TOP RECYCLING MISSION, il progetto sviluppato dal COBAT, Consorzio Nazionale Raccolta e Riciclo, e dal Comitato Ev-K2-CNR, che prevede la sostituzione e lo smaltimento della tecnologia fotovoltaica del laboratorio internazionale a piramide posto  ai piedi del versante nepalese dell’Everest. Si tratta di una missione estrema, senza precedenti al mondo e dal forte impatto mediatico, che prevede rischi e difficoltà logistiche. Una missione che vuol dimostrare come l’attenzione all’ambiente possa non aver confini o non essere limitata dalle difficoltà.

Il noto laboratorio a forma di piramide dedicato al prof Ardito Desio – che lo concepì e fece realizzare 25 anni fa – è una struttura costituita da acciaio, alluminio e vetro che ospita tre diversi livelli dove sono disposte le apparecchiature che si sono rese indispensabili, negli anni, a 520 missioni scientifiche gestite da 143 diverse istituzioni internazionali. I principali ambiti applicativi delle ricerche, data la particolare collocazione del laboratorio, sono stati sui cambiamenti climatici e ambientali, sulla medicina e fisiologia umana, sulla geologia, sulla geofisica e sui fenomeni sismici.

Abbiamo chiesto all’ing. Giancarlo Morandi, presidente del Cobat nonché entusiasta componente della spedizione,  le sue impressioni prima dell’ascesa.

Mauro Spagnolo: Il Cobat non è nuovo ad azioni virtuose nell’intento di perseguire importanti obiettivi ambientali ed economici. Questa volta però, il progetto è particolarmente originale e ambizioso. Quali sono le motivazioni che sono alla base di questa spedizione.

Giancarlo Morandi:  Noi crediamo che questa operazione avrà l’attenzione dei media italiani per la sua specificità e per le difficoltà intrinseche che si incontreranno nel realizzarla. L’ampia attenzione dei media dovrebbe portare a conoscenza dell’opinione pubblica ciò che andiamo a fare lassù. Secondo noi si tratta di un evento di forte valore ambientale in quanto è un particolare esempio di comportamento virtuoso: anche in habitat delicati e complessi, dal punto di vista logistico, è possibile adoperare l’ingegno per risolvere i problemi che riguardano la protezione dell’ambiente. In questo specifico caso, poi, non solo si è resa disponibile la produzione di energia pulita attraverso i generatori fotovoltaici ed il sistema di accumulo, ma saranno anche attuate, in barba alle difficoltà, le corrette procedure di raccolta e smaltimento della tecnologia esausta.

MS: Quali sono le maggiori difficoltà che avete trovato nell’organizzare una simile impresa?

GM:  Innanzi tutto voglio dirle che il Cobat non è nuovo a questo tipo di operazioni. Già nel 2002, l’anno internazionale delle montagne, il nostro Consorzio raggiunse la piramide per recuperare e smaltire i 3500 kg di batterie al piombo esauste. A 12  anni di distanza torniamo lassù per un’impresa ben più impegnativa: la sostituzione di tutta la tecnologia, moduli, batterie elettronica, con prodotti più innovativi e lo smaltimento di quella esausta.  Un’operazione che comporta l’utilizzo di 500 persone che trasporteranno in spalla l’attrezzatura nuova e poi riporteranno a valle tutto il materiale smontato. La spedizione, dal punto di vista tecnico, è particolarmente impegnativa in quanto il sentiero che porta ad oltre 5000,  attraverso valli, montagne, dirupi e corsi d’acqua, non sempre è di facile agibilità. Ad esempio due settimane fa è caduto un ponte per l’attraversamento di un fiume ed ancora non sappiamo come potremo guadare in quel punto, ma confidiamo di riuscirci.

MS: Parliamo di numeri: quanto materiale porterete alla piramide e quanto riporterete  indietro con la vostra spedizione?

GM: In pratica portiamo circa 15 tonnellate tra moduli fotovoltaici e batterie, e porteremo a valle i corrispondenti prodotti che hanno terminato la loro vita il che vuol dire risparmiare al territorio il pericolo della dispersione di 6 tonnellate  di piombo, 2 tonnellate di acido solforico, 5 tonnellate di vetro e permette di risparmiare, grazie all’utilizzo delle fonti rinnovabili per alimentare l’intera struttura scientifica, 6 tonnellate di petrolio equivalente. Complessivamente mi sembra quindi una gestione molto attenta dell’impatto del laboratorio su un territorio particolarmente delicato come quello  dell’Himalaya.

SM: Quali sono le tappe della vostra spedizione.

GM: Siamo partiti dall’Italia il 27 di settembre, stiamo terminando la fase di acclimatamento e tra qualche giorno, monsoni permettendo, inizieremo l’ascesa per rientrare il 15 ottobre.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.