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Durante un’escursione fatta recentemente, ho sofferto quello che era un chiaro ricordo della potenza del Sole. Ero ferma al limite del percorso alberato, circondata da un paesaggio roccioso, simile a quello lunare, e pensavo “avrei dovuto mettere della crema solare”. Ma ho subito scrollato di dosso il pensiero – avevo bisogno di concentrarmi sul nuovo percorso e alle difficoltà nella navigazione.

Non è stato fino alla sera, mentre mangiavo una pizza post-escursione con i miei compagni escursionisti, che il pensiero mi ritornò in mente nel momento in cui intravidi la mia faccia nello specchio: un rosso pomodoro. Avrei avuto dovuto mettere la crema solare!

Questo incontro mi aveva fatto riflettere sulla potenza del Sole. Il Sole è un essere onnipresente nelle nostre vite. È il faro dei nostri giorni e abbiamo bisogno dei suoi raggi dopo settimane e settimane di vita sotto tende di nuvole. Il Sole inonda la Terra con tantissima energia in ogni momento. Piante, alghe, e batteri assorbono questa energia e la usano per dare forza alle loro vite. Quindi la domanda resta, perché noi non facciamo lo stesso? Perché non sfruttiamo la potenza del Sole per venire incontro alla domanda energetica del mondo e portare energia a circa 1.1 miliardi di persone nel mondo che non ne hanno un apporto sufficiente?

Per capire se questo è possibile, cominciamo guardando quanta energia il Sole fornisce al Regno Unito. Se avessimo pannelli solari perfettamente costruiti che potessero convertire tutta la luce che li colpisce in elettricità, potremmo generare tutta l’energia richiesta nel Regno Unito?

Se teniamo conto della luce diffusa e assorbita nell’atmosfera, la quantità media di luce solare che raggiunge la Terra è di circa 175 Watt per metro quadro. Assumiamo ottimisticamente che il Regno Unito abbia una media di 4.5 ore di luce solare al giorno, per 365 giorni all’anno. Allora la quantità di energia solare che colpisce appena 300 km quadri di territorio nel Regno Unito è all’incirca uguale alla quantità totale di elettricità generata nel 2017.

Sebbene 300 km quadri possono sembrare come una grandissima quantità di territorio, in realtà, non lo è.  È appena quanto le dimensioni della città di Birmingham! Il territorio complessivo del Regno Unito è circa 240,000 km quadri. Di questi, circa il 6.8% è cittadino, e il 78% di questo territorio urbano è dedicato agli spazi verdi, come parchi, campi e giardini. Così solo circa 1.5% del territorio complessivo nel Regno Unito è “costruito”, circa 36,000 km quadri. Se posizioniamo dei pannelli solari efficaci sullo 0.8% dei tetti del Regno Unito – all’incirca 300 km quadri – allora possiamo generare tutta l’elettricità necessaria per alimentare il Regno Unito!

Sfortunatamente, è impossibile produrre pannelli solari efficienti al 100%. I più comuni pannelli solari sono fatti di silicone. Sebbene la loro efficienza continui a migliorare, non convertiranno mai più del 33% dell’energia solare in elettricità come mostro nell’immagine adiacente. Per capirne i motivi, dobbiamo pensare di nuovo al Sole, e come funzionino i pannelli solari.

Nella realtà, la luce solare è composta da milioni di particelle di luce chiamati fotoni, ognuno dei quali possiede una certa quantità di energia (o lunghezza d’onda) che determina il colore della luce. Insieme, tutti i fotoni con diversa energia, e quindi con diversi colori, formano uno spettro. Possiamo vedere alcuni di questi colori mentre altri, come la luce ultravioletta che hanno causato la mia scottatura, no.

I pannelli solari di silicone sono composti da semiconduttori, il che significa che ogni tanto conducono elettricità. Nel loro stato normale, che gli scienziati chiamano il loro “stato fondamentale”, tutti gli elettroni nel sistema sono legati agli atomi. Tuttavia, se fornisci abbastanza energia agli elettroni in un semiconduttore, alla fine viaggeranno, o condurranno, e genereranno corrente elettrica.

La parte difficile è che la specifica quantità di energia – spesso chiamata la banda proibita – è una delle cose che determina quanta potenza può produrre un pannello solare. Se un fotone ha minore energia della banda proibita, passerà dritto attraverso il pannello solare senza essere assorbito.  È come luce solare che passa attraverso al vetro di una finestra. Se il colore della luce che sta arrivando ha troppa energia, allora quell’eccesso di energia è persa sotto forma di calore. Gli elettroni rimbalzano contro gli altri come palle da biliardo fino a che non hanno la stessa energia della banda proibita.

Guardiamo di nuovo lo spettro solare e il suo arcobaleno di luce visibile e invisibile. Parte della luce ha troppa poca energia per essere usata nelle celle fotovoltaiche, e parte di questa ha troppa energia così che l’eccesso si trasforma in calore. Questi due fattori sono i responsabili del 50% della perdita in efficienza delle celle fotovoltaiche in silicone.

Mentre il Sole colpisce costantemente la Terra con tonnellate di energia – noi non possiamo convertire tutta questa energia in elettricità.

Quindi: come possiamo migliorare la produzione di energia solare?

Questa è una storia che comincerò a raccontare la prossima volta!

L’illustrazione, Blackened landscapes 3, è stata prodotta dall’artista di Cambridge Noemi Davies. È stata adattata da Garrowby Hill di David Hockney, ricreata con l’aggiunta di pannelli solari nei campi. Naomi ha usato il più pigmentato, piatto, opaco, nero acrilico del mondo per dipingere il più nero dei pannelli solari.

Tradotto da: Gabriella Di Gennaro. Gabriella ha conseguito la laurea in Astrofisica e Cosmologia presso l’ALMA Mater Studiorum di Bologna. Attualmente sta svolgendo un Dottorato in Astrofisica presso l’Università di Leiden (Paesi Bassi).

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