- scritto da Luca Facchini
- categoria Energie rinnovabili
Storia del solare termodinamico: dagli specchi ustori ai primi impianti
Che le conoscenze dell’uomo sulle proprietà termiche dell’irraggiamento solare siano consolidate fin dall’età della pietra, seppure solo a livello intuitivo come fonte naturale di riscaldamento, sono ormai note. Percorrendo a ritroso la storia dell’uomo, riconosciamo che il principio di funzionamento della tecnologia che è alla base di un impianto solare termodinamico– la riflessione – ha origini storiche nell’Età Classica con gli esperimenti sui fenomeni ottici a coronamento degli studi matematici e geometrici sulle proprietà delle coniche e delle figure geometriche; gli attori più noti del fermento culturale dell’epoca attorno all’argomento furono Euclide di Alessandria e Menecmo ( IV a.C.), Diocle di Siracusa ( III a.C.), Conone di Samo e il suo allievo e amico di Archimede Diositeo di Pelusio ( III a.C.) e infine Apollonio di Perga (II a.C.). E’ proprio attraverso l’azione geniale di Archimede di Siracusa (III a.C.) che si assiste all’applicazione militare dei trattati di Conone di Samo, con latecnica degli specchi ustori.
Dobbiamo, a onor di cronaca, precisare che la storia raccontata sulle gesta di Archimede di Siracusa in riferimento all’uso degli specchi ustori, ha trovato molti pareri contrastanti; pareri che hanno messo in discussione la fondatezza storica dell’aneddoto legato al loro uso, ma contemporaneamente mettono tutti d’accordo sul fatto che la sua leggendaria impresa avrebbe avuto esito certo nel caso avesse utilizzato, per esempio, un dispositivo composto da più specchi riflettenti e finemente lavorati. Resta il fatto però che la storia dello studio sulla concentrazione dei raggi solari, introdotta per la prima volta dallo scienziato siracusano con esiti più o meno dimostrabili, è proseguita con estremo interesse dal Medioevo in poi, passando per il mondo arabo (Al Kindi di Bagdad – IX d.C. eAlhazen di Bassora – X d.C.), quello bizantino ( Eustazio di Thessalonica – XII d.C.), il Rinascimento ( Leonardo da Vinci XV d.C. in primis) fino all’età industriale moderna.
PERIODO RINASCIMENTALE
Se da un lato il periodo Medioevale ha visto più che altro, grazie soprattutto all’opera di scienziati del mondo Arabo, una fase di riorganizzazione e traduzione dei trattati dell’Età Classica, nel periodo Rinascimentale lo studio delle proprietà termiche dell’irraggiamento solare trova interesse nel campo delle esperienze esoteriche e dell’alchimia da una parte e nel settore ingegneristico–matematico dall’altro per opera di Leonardo da Vinci, Ettore D’Ausonio, Galileo Galilei, Keplero e Atanasius Kircher (1602 – 1680).
Le applicazioni pratiche e ingegneristiche del geniale Leonardo erano strettamente legate alle proprietà “ustorie” degli specchi lavorati, avendo come obiettivo la realizzazione di una sorta di macchina solare per la fusione e la saldatura del bronzo; questa tecnologia di Leonardo non troverà purtroppo una pratica realizzazione durante le sue permanenze alle corti di Milano, Parigi e Roma, sia per gelosie suscitate sia per il “particolare” carattere di Leonardo nel custodire segretamente i suoi appuntisenza una precisa condivisione del sapere. In merito ad un’applicazione termica dell’irraggiamento solare, è da menzionare il “Codice Arundel”, che riporta interessanti calcoli per la determinazione della potenza degli specchi ustori per scaldare l’acqua contenuta in una caldaia a scopi industriali (tintoria).
E’ con l’apporto di Ettore D’Ausonio prima (matematico Veneto e costruttore di strumenti ottici, 1520–1570) e di Galileo Galileipoi, che si realizza un passo avanti, dal punto di vista teorico, rispetto all’ottica Medievale: in sintesi avviene il riconoscimento dell’identità del “punctum inversionis” (il punto in cui l’immagine è ingrandita al massimo in uno specchio concavo) con il punto di combustione dello specchio ustorio sotto l’incidenza dei raggi paralleli del sole.
L’improbabile esito e la difficoltà nel reperire a basso costo gli specchi concavi scoraggiano l’impiego della tecnica anche in campo militare: si pensi, a titolo esemplificativo, che uno specchio di elevata precisione e affidabilità di circa 1 metro quadro, di cui i veneti custodivano i segreti di fabbricazione, all’epoca poteva arrivare a costare più di cinquantamila euro!
In campo prettamente matematico la storia degli specchi di Archimede interessò moltissimi accademici, tra cui molti razionalisti come lo stesso Cartesio, Keplero e soprattutto Kircher, che arrivarono a una condivisa conclusione che sarebbe stato impossibile per l’inventore Siracusano costruire specchi ustori concavi con un fuoco di decine di metri con la tecnologia che aveva a disposizione all’epoca, stante l’esigua curvatura.
PERIODO DELLA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
Dal XVII sec. in poi si assiste a un rallentamento degli studi teorici di matematica e di ottica della riflessione a favore di sempre maggiori e significativi tentativi nel campo sperimentale in modo tale da ottenere un tangibile beneficio termico dall’uso dell’irraggiamento solare.
Sono da menzionare le pratiche sperimentali di G.L.Leclerc Conte di Buffon ( XVIII d.C.) e diAugustin Mouchot, ( XIX d.C.) entrambe professori di matematica di origine francese. Il Conte di Buffon fu sempre visto con sospetto dai i suoi colleghi matematici per il suo scarso rigore analitico, ma rimane interessante per il fatto di aver realizzato un dispositivo, conservato al Museo Tecnologico di Parigi, con il quale, secondo le cronache del tempo, avrebbe portato a fusione alcuni metalli duttili e alla combustione dei pezzi di legno di abete distanti circa 150 piedi.
Lo stesso Mouchot, con l’appoggio del governo francese, mosso dalle previsioni di esaurimento dei combustibili fossili, all’epoca il carbone, realizzò diversi progetti di macchine di una qualche utilità industriale tanto che all’esposizione mondiale di Parigi del 1878 espose un motore con uno specchio solare a concentrazione di diametro di 4 metri e una caldaia di 70 litri; il vapore prodotto a 7 bar di pressione avrebbe azionato una macchinaper la produzione del ghiaccio e la risonanza mediatica sul pubblico fu eccezionale tanto da scatenare sogni e fantasie avveniristiche.
Purtroppo lo sviluppo dei trasporti su rotaia e la riscoperta dei rapporti anglo–francesi favorirono il mercato del carbone per la produzione dell’energia a prezzi più competitivi, a tal punto che il governo francese abbandonò del tutto l’interesse e il finanziamento per la nuova tecnologia.
PERIODO MODERNO
Gli esperimenti francesi costituirono la base per l’imprenditoria visionaria e lungimirante del nuovo continente, incoraggiata anche dalle prime avvisaglie di crisi energetiche della fine dell’800 e dei primi decenni del XX secolo.
La produzione industriale diffusa se non altro contribuì alla produzione su larga scala di tutta una serie di componentistica meccanica e di varia natura creando le condizioni economiche per la diffusione di tecnologie Hi–Tech fino allora irraggiungibili. Assistiamo in America del Nord al deposito di un numero elevato di brevetti per la realizzazione di motori solari, macchine termiche e concentratori più o meno efficienti che videro la luce attraverso l’opera e la genialità di ingegneri di origine e formazione Europea.
Da ricordare la produzione di John Ericsson che perfezionò e rese più efficienti le macchine di Mouchot, l’imprenditore e inventore A. Eneas, noto per aver contribuito alla produzione e distribuzione in California di concentratori solari troncoconici per azionare pompe idrauliche di irrigazione, ma soprattutto l’opera di Frank Shuman. Quest’ultimo si rese promotore d’impianti solari a concentrazione con una potenza di 20 KW e soprattutto per l’affinamento dei componenti fino a raggiungere un rendimento invidiabile, tra l’energia solare incidente e quella termica prodotta, pari al 30%!
Nel 1912 fu realizzato in Egitto (Meadi, distante 20 Km dal Cairo) sotto la direzione di Shuman il più grande impianto a collettori solari lineari dell’epoca di circa 1200 mq, a sostegno di un impianto di pompaggio per l’irrigazione con un rendimento di circa il 40%. L’impianto garantiva il pompaggio di circa 27.000 litri di acqua al minuto e funzionava giorno e notte grazie ad un sistema di accumulo termico di acqua calda.
L’impresa si rivelò di un’importanza enorme e tale fu la risonanza che diversi paesi in via di sviluppo del nord dell’Africa videro la possibilità di diversificare l’approvvigionamento energetico con possibili e stravolgenti risvolti geo–politici. L’Europa stessa fu attratta dalle potenzialità della nascente tecnologia ecosostenibile. Nell’immaginario dell’epoca, e anche odierno a dire il vero (vedi il progetto Desertec), c’era il progetto di creare nel continente Africano un polo di produzione energetico per tutta l’Europa in concomitanza con la nascente tecnologia di trasmissione della corrente alternata con elettrodotti sottomarini; il sogno subì una brusca frenata e un ridimensionamento a causa di due eventi strettamente legati: da un lato lo scoppio della I Guerra Mondiale e i problemi della ricostruzione e, dall’altro, l’avvento del nuovo combustibile fossile a basso costo presente a livello planetario: il Petrolio.
