Creatività cristallina

Un edificio dalle incredibili potenzialità, realizzato con elementi prefabbricati modulari per ridurre gli sprechi e che, nonostante l'unicità delle forme, si dimostra estremamente efficiente

(Rinnovabili.it) – Tra le Università più all’avanguardia di tutto il continente asiatico in materia di creatività multimediale, la City University of Hong Kong si colloca sicuramente ai primi posti. Già dotata di edifici all’avanguardia ed avendo la necessità di costruire un nuovo Centro per il “Creative Media”, nel 2010 l’istituto universitario decise di rivolgersi al pluripremiato architetto Daniel Libeskind per realizzare una struttura capace di rispecchiare la mission dell’Università di Hong Kong, puntando prima di tutto all’efficienza energetica.

Con la collaborazione degli architetti della Leigh & Orange Limited e con il supporto ingegneristico di ARUP, l’edificio realizzato è unico nelle forme e nei contenuti, rispondendo perfettamente alle caratteristiche uniche del sito nel quale si inserisce. Dalle forme molto simili a quelle di un cristallo il “Run Run Shaw Creative Media Center” si sviluppa per nove piani secondo una incredibile gamma di differenti dimensi

oni, altezze, materiali, giocando con gli effetti luminosi a seconda degli ambienti interni altrettanto vari e destinati ad accogliere funzioni quali il teatro, le aule polifunzionali, gli spazi comuni, i laboratori, gli studi di registrazione, le sale di proiezione ed una serie di “aree interattive”.

Per rispondere alle condizioni climatiche locali, l’edificio è stato costruito prestando la massima attenzione agli aspetti strutturali ed alla qualità dei materiali, seguendo principi di progettazione “passiva”.

I tagli di luce che spezzano e caratterizzano le facciate sono collocati secondo un preciso disegno che consente nello stesso tempo di massimizzare l’illuminazione naturale verso l’interno, mantenendo però all’esterno il guadagno solare. In questo modo grazie all’orientamento dell’edificio e grazie alle prestazioni dell’involucro opaco e trasparente, è possibile ridurre i consumi termici di oltre il 66% rispetto agli standard locali.

EFFICIENZA Le forme assolutamente uniche della struttura sono state progettate dal team di ARUP, utilizzando i più innovativi strumenti informatici, capaci di equilibrare il rapporto tra l’aspetto estetico finale, la fattibilità statica e, soprattutto, il minimo spreco di risorse. Una delle caratteristiche più importanti della struttura e che ha giocato un ruolo determinante nella sua realizzazione, è la scelta di utilizzare per il 50% elementi modulari provenienti da un processo di industrializzazione e prefabbricazione, abbattendo notevolmente i costi e l’eventuale spreco di materiale.

Mentre l’efficienza energetica totale supera di oltre il 26% gli standard tradizionali, l’impianti di recupero e trattamento delle acque piovane e delle acque grigie abbatte i consumi idrici di oltre il 28%.

DESIGN SOSTENIBILE Le prestazioni ottimali di “Run Run Shaw Creative Media Center” sono raggiunte grazie al perfetto equilibrio tra le scelte progettuali e l’impiego di soluzioni tecnologiche in grado, prima di tutto, di abbattere i consumi.

Il bacino di raccolta è direttamente connesso con i numerosi giardini pensili disposti sulle coperture che, oltre a creare un naturale strato isolante tra interno ed esterno, assorbono una parte delle precipitazioni, riducendo il carico d’acqua destinato alle fognature e, soprattutto, facilitandone la raccolta per un possibile riutilizzo futuro.

Vetri basso emissivi, sistemi di raffrescamento a pavimento, tecnologie per il monitoraggio dei livelli di CO2 interni ed esterni alla struttura connesso al sistema di ventilazione naturale, nonchè una componente domotica di fondamentale importanza per assicurare il funzionamento solo delle parti della struttura effettivamente utilizzate, riducendo significativamente gli sprechi elettrici.

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“.