Il componente principale della trappola di calore è un cilindro di quarzo. Negli esperimenti, la sua temperatura ha raggiunto i 1050 gradi Celsius e brillava a questa temperatura. Fonte: ETH Zurigo / Emiliano Casati
Ricercatori svizzeri hanno sviluppato un metodo di energia solare utilizzando il quarzo sintetico per raggiungere temperature superiori a 1.000 gradi Celsius per i processi industriali, sostituendo potenzialmente i combustibili fossili nella produzione di materiali come acciaio e cemento.
Invece di bruciare combustibili fossili per raggiungere le temperature necessarie per fondere l’acciaio e cuocere il cemento, gli scienziati svizzeri vogliono utilizzare il calore proveniente dal sole. Uno studio dimostrativo utilizza il quarzo sintetico per intrappolare l’energia solare a temperature superiori a 1.000°C (1.832°F), dimostrando il potenziale ruolo del metodo nel fornire energia pulita alle industrie ad alta intensità di carbonio. Un articolo sulla ricerca è stato pubblicato il 15 maggio sulla rivista dispositivo.
La necessità di rimuovere il carbonio
“Per affrontare il cambiamento climatico, dobbiamo decarbonizzare l’energia in generale”, afferma l’autore corrispondente Emiliano Casati dell’ETH di Zurigo, Svizzera. “Le persone tendono a pensare all’elettricità solo come energia, ma in realtà circa la metà dell’energia viene utilizzata sotto forma di calore”.
Vetro, acciaio, cemento e ceramica sono il cuore della civiltà moderna, essenziali per costruire qualsiasi cosa, dai motori delle automobili ai grattacieli. Tuttavia, la produzione di questi materiali richiede temperature superiori a 1000°C e fa molto affidamento sulla combustione di combustibili fossili per il riscaldamento. Queste industrie rappresentano circa il 25% del consumo energetico globale. I ricercatori hanno scoperto un’alternativa energetica pulita utilizzando ricevitori solari, che concentrano e generano calore utilizzando migliaia di specchi che seguono i raggi del sole. Tuttavia, questa tecnologia ha difficoltà a trasmettere in modo efficiente l’energia solare al di sopra dei 1000°C.
Illustrazione di una trappola di calore sperimentale. È costituito da un’asta di quarzo (all’interno) e da un assorbitore in ceramica (all’esterno). La radiazione solare entra dalla parte anteriore e il calore viene generato nella zona posteriore. Credito: Casati E et al. Dispositivo 2024, modificato
Ricevitori solari innovativi
Per aumentare l’efficienza dei ricevitori solari, Casati si è rivolto a materiali semitrasparenti, come il quarzo, che possono intrappolare la luce solare, un fenomeno chiamato effetto trappola di calore. Il team ha creato un dispositivo per intrappolare il calore collegando un’asta di quarzo artificiale a un disco di silicio opaco per assorbire energia. Quando hanno esposto il dispositivo a un flusso di energia equivalente alla luce proveniente da 136 soli, la temperatura della piastra assorbente ha raggiunto i 1.050 °C (1.922 °F), mentre l’altra estremità dell’asta di quarzo è rimasta a 600 °C (1.112 °F ).
Aprire nuovi orizzonti nell’intrappolamento solare termico
“Le ricerche precedenti erano state in grado di dimostrare l’effetto della trappola di calore solo fino a 170 gradi Celsius (338 gradi Fahrenheit)”, afferma Casati. “La nostra ricerca ha dimostrato che l’intrappolamento termico solare funziona non solo a basse temperature, ma ben al di sopra dei 1000°C. Ciò è fondamentale per dimostrare il suo potenziale per applicazioni industriali nel mondo reale.
Utilizzando un modello di trasferimento del calore, il team ha anche simulato l’efficienza della serra del quarzo in diverse condizioni. Il modello ha dimostrato che l’intrappolamento termico raggiunge la temperatura target a concentrazioni più basse con le stesse prestazioni, o con una maggiore efficienza termica a parità di concentrazioni. Ad esempio, un ricevitore di fascia alta (non schermato) ha un’efficienza del 40% a 1200°C, focalizzando 500 soli. Il ricevitore rivestito con 300 mm di quarzo raggiunge un’efficienza del 70% alla stessa temperatura e concentrazione. Un ricevitore non schermato richiede almeno 1.000 soli di messa a fuoco per ottenere prestazioni simili.
Tendenze future e fattibilità economica
Casati e i suoi colleghi stanno ora lavorando per migliorare l’effetto dell’intrappolamento termico e stanno studiando nuove applicazioni per questo metodo. Finora, la loro ricerca è stata promettente. Esplorando altri materiali, come diversi liquidi e gas, sono riusciti a raggiungere temperature più elevate. Il team ha inoltre osservato che la capacità di questi materiali semitrasparenti di assorbire la luce o la radiazione non si limita alla radiazione solare.
“La questione energetica è il cardine della sopravvivenza della nostra società”, afferma Casati. “L’energia solare è facilmente disponibile e la tecnologia esiste già. Per stimolare davvero l’adozione da parte dell’industria, dobbiamo dimostrare la fattibilità economica e i vantaggi di questa tecnologia su larga scala”.
Riferimento: “Trapping solare termico a 1000°C e oltre” di Emiliano Casati, Leo Alguer e Aldo Steinfeld, 15 maggio 2024, dispositivo.
DOI: 10.1016/j.device.2024.100399
