La ricetta del car-sharing

Una ricerca condotta da Elliot Martin e Susan Shaheen rispettivamente Postdoctoral Research Engineer e Co-Director presso UC Berkeley Transportation Sustainability Research Center

La diffusione del carsharing ha come conseguenza la diminuzione del numero delle vetture di proprietà e il miglioramento della qualità ambientale dei veicoli in circolazione. Queste in sintesi le conclusioni cui giunge una ricerca condotta da Elliot Martin e Susan Shaheen rispettivamente Postdoctoral Research Engineer e Co-Director presso UC Berkeley Transportation Sustainability Research Center.
I risultati dello studio scritto a due mani sono stati ripresi e illustrati più recentemente nell’articolo “The Impact of Carsharing on Household Vehicle Ownership”, comparso in un numero della rivista Acces, edita dall’University of California Transportation Center.
Intervistando un campione di oltre 6000 famiglie residenti negli Stati Uniti e in Canada gli autori hanno potuto rilevare che una volta aderito ad un sistema di carsharing la quantità di nuclei familiari in possesso di un’automobile privata è scesa da 2.968 a 1507 unità, in termini percentuali una riduzione del 50%. Da una media di 0,47 autovetture per singola famiglia si è passati alla cifra di 0,24, una differenza statisticamente significativa. Nel complesso si calcola che ogni veicolo di carsharing può togliere dalla circolazione dalle 9 alle 13 automobili.
Sul piano metodoligico va sottolineato che l’indagine è stata effettuata considerando il livello familiare e non individuale perché il
carsharing può incidere sulla mobilità di più componenti anche se ad abbonarsi ad un network di auto condivisa è un solo membro.
Inoltre, il carsharing, quando adottato, ha un impatto sulle famiglie inducendo a non acquistare una nuova vettura. Questo vale soprattutto per quei nuclei già privi di auto privata in quanto il servizio di carsharing rappresenta un’opportunità per eliminare alcuni costi relativi alla proprietà al tempo stesso consentendo di accedere ad un mezzo, dal quale si diventa meno dipendente, per  gli spostamenti personali.

D’altro canto, chi è in possesso di una autovettura mostra propensione a rinunciarvi perché il carsharing è in grado di rispondere al bisogno connesso alla mobilità non direttamente collegata all’attività lavorativa. Per ciò che concerne l’aspetto ambientale l’analisi dei dati raccolti dai ricercatori evidenzia una maggiore efficienza energetica della flotta dei veicoli utilizzati per il carsharing. Per lo più i gestori tendono a mettere a disposizione automobili ibride favorendo la dismissione di vetture più vecchie da parte dell’utente.
Grazie al concorso del carsharing le dinamiche del trasporto  e della mobilità urbana cominciano a modificarsi in modo indicativo. Secondo Elliot Martin e Susan Shaheen in futuro il suo livello di penetrazione potrebbe estendersi soprattutto nei centri a più bassa densità di popolazione e nei sobborghi. In proposito, merita di essere considerata con più attenzione l’introduzione del peer-to-peer carsharing, una nuova ed emergente modalità di condivisione, part-time e a pagamento, dell’auto privata con altri guidatori.

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“.