Clima ed energia
La crisi climatica richiede risposte da diversi punti di vista. Gli Innovators stanno lavorando per risolvere i problemi di cattura del carbonio, produzione di batterie e gestione della rete.
Awais Ahmed
Pixxel Space Technologies
Dagli anni ’50, i satelliti hanno monitorato i modelli meteorologici, i raccolti e i rivali geopolitici catturando le onde luminose che si riflettono sulla superficie terrestre. Ma le immagini satellitari sono incoerenti e sfuocate – compromesse dalla copertura nuvolosa, dalle condizioni di luce e dalla distanza – e la maggior parte dei satelliti nello spazio oggi cattura solo la luce nello spettro visibile e forse qualche lunghezza d’onda nello spettro dell’infrarosso.
Nel 2021, l’azienda Pixxel di Awais Ahmed ha lanciato in orbita il primo satellite iperspettrale dimostrativo, in grado di catturare immagini orbitali in più di 150 lunghezze d’onda dello spettro visibile e infrarosso, per uso commerciale e pubblico. Molecole diverse riflettono la luce in lunghezze d’onda diverse, chiamate firme spettrali, e catturando un insieme più completo di lunghezze d’onda, dice Ahmed, 25 anni. I satelliti di Pixxel possono fornire fino a 10 volte più informazioni sulla superficie terrestre rispetto ai satelliti attuali. Potremo conoscere la salute interna delle colture, ad esempio, o raccogliere informazioni molecolari sulle calotte di neve che potrebbero rivelare questioni chiave relative ai cambiamenti climatici.
Pixxel ha lanciato altri due satelliti iperspettrali nel 2022 e l’azienda sta lavorando per utilizzare i dati iperspettrali per costruire “un sistema di monitoraggio della salute del pianeta”. L’attuale clientela di Pixxel comprende operatori del settore agricolo e minerario che utilizzano i dati iperspettrali per monitorare i cambiamenti del suolo e della biodiversità. Ahmed prevede di rendere open-source alcuni dei dati di Pixxel e di fornire gratuitamente l’accesso a laboratori selezionati di ricerca sul clima.
di Tate Ryan-Mosley
12 settembre 2023
Peter Godart
Found Energy
Ogni anno milioni di tonnellate di alluminio finiscono in discarica. Per Peter Godart, 30 anni, questo è uno spreco non solo di materiale utilizzabile, ma anche di energia.
Come i combustibili che oggi alimentano il nostro mondo, l’alluminio può rilasciare energia quando subisce reazioni chimiche. Godart vuole sfruttare l’energia dei rifiuti di alluminio come alternativa più pulita per l’industria pesante. Per questo ha inventato un processo chimico in grado di separare l’alluminio combinandolo con l’acqua. Il processo produce calore e idrogeno, che possono essere utilizzati come fonti di energia.
Nel 2022, Godart ha fondato una società chiamata Found Energy per portare la sua invenzione sul mercato. La startup intende collaborare con i produttori di alluminio, che potranno sfruttare l’energia recuperata dai rottami di alluminio per alimentare parte delle loro attività.
La visione di Godart è quella di stabilire un nuovo metodo di riciclaggio dell’alluminio e di trasformare il metallo in un combustibile sostenibile utilizzato in tutti i settori industriali. Un metro cubo di alluminio contiene il doppio di energia rispetto alla stessa quantità di gasolio. Questo potrebbe rendere il metallo un candidato per l’alimentazione di navi a lunga percorrenza o di processi industriali che oggi richiedono molta energia.
di Casey Crownhart
12 settembre 2023
Tongchao Liu
Argonne National Laboratory
Tongchao Liu, 32 anni, ha sviluppato batterie al litio che possono essere ricaricate più volte rispetto alle tecnologie precedenti e costano meno. Poiché la durata e il costo delle batterie sono i principali ostacoli alla mobilità elettrica, il suo lavoro potrebbe contribuire a garantire una maggiore diffusione dei veicoli elettrici.
Migliorare la durata delle batterie, ossia il numero di volte in cui è possibile caricarle e scaricarle prima che smettano di funzionare, è una sfida importante. Sorprendentemente, i ricercatori non sono riusciti a trovare un accordo sulle cause che portano le batterie a guastarsi.
Liu, assistente chimico presso l’Argonne National Laboratory negli Stati Uniti, ha risposto alla domanda costruendo un nuovo sistema diagnostico. Il sistema ha unificato più teorie determinando che la maggior parte dei guasti nelle batterie al litio avviene al catodo – l’elettrodo da cui esce la corrente – e deriva da una sollecitazione fisica dovuta all’espansione e alla contrazione delle parti interne del catodo durante ogni ciclo di carica e scarica.
Liu ha quindi inventato una nuova struttura del catodo, utilizzando un materiale chiamato perovskite, in grado di resistere meglio alle sollecitazioni. Questa innovazione ha triplicato la durata delle batterie su cui ha lavorato, ha ridotto il costo di costruzione di circa il 25% e ha eliminato la necessità di utilizzare il cobalto. Ampiamente impiegato nelle attuali batterie al litio, il cobalto viene estratto principalmente nella Repubblica Democratica del Congo e in Russia, dove i lavoratori vengono sfruttati e i costi ambientali sono notevoli.
La scoperta di Liu ha suscitato l’interesse delle aziende commerciali, particolarmente interessate a ridurre l’uso del cobalto. Ma le sue ambizioni a lungo termine includono l’eliminazione della necessità di altri elementi problematici, come il nichel, e l’invenzione di sistemi chimici per batterie completamente nuovi, immuni alle sollecitazioni fisiche.
di Russ Juskalian
12 settembre 2023
Yayuan Liu
Johns Hopkins University
Yayuan Liu, 31 anni, sta lavorando per creare dispositivi modulari per la cattura del carbonio che non si basano sul calore. La cattura dell’anidride carbonica intrappolata nell’aria o rilasciata durante la produzione in fabbrica è una parte sempre più importante della nostra risposta al cambiamento climatico. Ma i meccanismi termochimici utilizzati oggi richiedono che la maggior parte delle fabbriche commerciali con impianti di cattura del carbonio mantengano un’ampia operatività 24 ore su 24, 7 giorni su 7. E talvolta consumano ancora combustibili fossili per generare il calore.
Liu sta invece sviluppando nuovi metodi che rendono la cattura del carbonio più accessibile e rispettosa del clima, sostituendo i meccanismi termici con reazioni elettrochimiche, in modo che l’anidride carbonica possa essere scissa e rilasciata a temperature normali e su scala molto più ridotta.
La sua visione è che “in futuro ogni famiglia avrà un piccolo dispositivo di cattura del carbonio con cui potrà gestire le proprie emissioni di CO2”, dice Liu. Ha sviluppato 20 nuove molecole a base di azoto che possono essere utilizzate per catturare l’anidride carbonica, alcune delle quali raggiungono un’efficienza quasi perfetta.
Trovare molecole valide è solo il primo passo. Per trasformare presto le molecole in dispositivi pratici, Liu si sta avventurando oltre l’elettrochimica, il suo campo, e sta guidando un gruppo di ricerca interdisciplinare che attinge all’ingegneria, alla scienza dei materiali e alla biologia.
di Zeyi Yang
12 settembre 2023
David Mackanic
Anthro Energy
David Mackanic, 30 anni, sta aprendo nuove possibilità nel campo dell’elettronica costruendo batterie che possono piegarsi e flettersi.
Le batterie agli ioni di litio, che alimentano la maggior parte dell’elettronica di consumo, tendono a essere rigide e ingombranti e limitano notevolmente il design e il funzionamento dei nuovi prodotti. Una parte importante del problema è rappresentata dall’elettrolita, la parte chimica della batteria che consente il passaggio della carica elettrica tra due terminali. La maggior parte degli elettroliti è costituita da liquidi altamente combustibili, il che significa che le batterie agli ioni di litio hanno bisogno di un involucro protettivo pesante per evitare di prendere fuoco.
In qualità di fondatore di Anthro Energy, una startup della Silicon Valley, Mackanic pensa di avere una soluzione migliore che ha sviluppato come studente di dottorato a Stanford: un elettrolita fatto di un polimero sintetico. Mentre gli elettroliti polimerici del passato erano fragili o scarsamente conduttivi, il suo è sufficientemente robusto da potersi piegare senza inibire le prestazioni. Poiché il polimero non è infiammabile, le batterie realizzate con esso non necessitano di un involucro rigido e possono essere più facilmente integrate nei dispositivi che alimentano. “È possibile progettare i dispositivi integrati con essi, piuttosto che intorno a essi”, afferma Mackanic.
Anthro Energy, che Mackanic ha lanciato nel 2021, sta collaborando con diverse aziende per testare le sue batterie in una serie di dispositivi elettronici, tra cui device indossabili, cuffie per la realtà virtuale e veicoli elettrici. Mackanic ritiene che a lungo termine il suo prodotto potrebbe portare a un miglioramento del 30% dell’autonomia dei veicoli elettrici, consentendo alle case automobilistiche di inserire un maggior numero di celle della batteria in una quantità fissa di spazio.
di Jonathan W. Rosen
12 settembre 2023
Monique McClain
Purdue University
I propellenti, una classe dei cosiddetti materiali energetici, sono utilizzati per lanciare razzi, far aprire gli airbag o sparare proiettili e granate ad alto calibro.
Le aziende li producono comunemente mescolando combustibili, ossidanti e altri materiali in un impasto che viene versato in uno stampo e polimerizzato. Ma Monique McClain, 29 anni, assistente alla cattedra di ingegneria meccanica della Purdue University, sta sviluppando modi per perfezionare le prestazioni dei propellenti producendoli attraverso un nuovo metodo: la stampa 3D.
Il processo di produzione riga per riga promette di rendere possibili materiali energetici con nuove forme, strati a grana più fine o composizioni diverse.
Questo metodo potrebbe offrire un maggiore controllo sulla sensibilità dei propellenti alla detonazione, sul modo in cui bruciano nel tempo, sulla densità energetica e su altre proprietà che influenzano la spinta o la traiettoria. Tecniche simili potrebbero anche migliorare le prestazioni degli esplosivi, utilizzati per le demolizioni, le miniere e le bombe militari.
La produzione di questi materiali è ovviamente pericolosa. Richiede un attento controllo della pressione, della temperatura e delle condizioni in cui opera il processo. È anche difficile spingere le sostanze spesse, appiccicose e simili all’argilla attraverso i minuscoli ugelli di una stampante 3D. A causa di queste e altre difficoltà, finora il metodo è stato in gran parte limitato a materiali con una densità energetica relativamente bassa, il che significa una minore potenza esplosiva o propellente.
Ma McClain ha contribuito a far progredire il campo in diversi modi. È stata una delle prime ad applicare una tecnica emergente che prevede la vibrazione rapida delle punte degli ugelli di una stampante 3D per estrudere più rapidamente queste sostanze viscose. Questo le ha permesso di stampare propellenti solidi per razzi con una maggiore densità energetica. McClain ha anche sviluppato nuove tecniche per valutare le caratteristiche dei materiali ottenuti.
Il Laboratorio di ricerca dell’esercito del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e diversi laboratori nazionali statunitensi utilizzano o valuteranno presto alcune di queste tecniche. L’autrice non può commentare i dettagli di questo lavoro. Ma afferma che i metodi che sta contribuendo a sviluppare potrebbero fornire un maggiore controllo sulla velocità di accelerazione dei razzi o sulla loro distanza, o estendere la portata di altri proiettili.
di James Temple
12 settembre 2023
Sivaranjani Seetharaman
Purdue University
Le nostre reti elettriche, ormai obsolete, devono far fronte a crescenti tensioni. Le fonti rinnovabili generano una quota crescente di energia elettrica, ma con fluttuazioni anomale a seconda del tempo o dell’ora del giorno. I veicoli elettrici richiedono sempre più energia. E ondate di calore, inondazioni e tempeste sempre più estreme minacciano continuamente di mettere fuori uso i sistemi elettrici.
A complicare ulteriormente le cose, un numero sempre maggiore di case e aziende è dotato di pannelli solari, batterie o microgrid, diventando così fonti di elettricità oltre che consumatori.
Sivaranjani Seetharaman, 33 anni, assistant professor di ingegneria industriale alla Purdue University, sta sviluppando strumenti per mantenere le nostre reti elettriche affidabili di fronte a queste sfide.
Tra le altre cose, ha sviluppato modelli per valutare come i sistemi elettrici risponderanno all’aumento della domanda e alle condizioni meteorologiche estreme, a seconda del mix di fonti, stoccaggio e altre infrastrutture. In un caso, lei e i suoi colleghi hanno scoperto che se il settore degli autotrasporti pesanti del Texas diventasse elettrico, solo l’11% della flotta dovrebbe caricarsi contemporaneamente per non rischiare di destabilizzare la rete regionale.
Seetharaman ha utilizzato l’apprendimento automatico e i suoi modelli per formare algoritmi che possano aiutare gli operatori di rete a gestire questi sistemi sempre più dinamici e complessi. Gli strumenti software possono prevedere l’offerta e la domanda, o aiutare a determinare le fonti di energia elettrica ottimali e i percorsi ideali lungo le reti di trasmissione e distribuzione in qualsiasi momento, in base alle variazioni della domanda, dell’offerta e delle condizioni meteorologiche.
Possono anche contribuire a incorporare i cosiddetti sistemi di risposta alla domanda, attraverso i quali gli operatori di rete incoraggiano i clienti a ridurre il consumo di energia nei momenti di picco della domanda o, in determinate condizioni, a farlo per loro conto.
Per affrontare completamente le sfide incombenti della rete sarà necessario aggiungere grandi quantità di generazione di energia pulita, impianti di stoccaggio dell’energia e hardware nei prossimi decenni. Ma lo sviluppo di algoritmi migliori e di altri software può migliorare rapidamente le prestazioni delle reti odierne, afferma Seetharaman, e garantire la costruzione di reti più efficienti, flessibili e robuste per il futuro.
di James Temple
12 settembre 2023
Stafford Sheehan
Air Company
Affrontare l’aumento delle emissioni di anidride carbonica potrebbe essere il problema più urgente del nostro tempo. Stafford Sheehan, 34 anni, ritiene di aver trovato un modo non solo per ridurre tali emissioni, ma anche per catturare l’anidride carbonica esistente e convertirla in un prodotto commerciale utile.
Co-founder e CTO di Air Company, Sheehan ha sviluppato un processo per convertire l’anidride carbonica in alcol. Così come le piante utilizzano la fotosintesi per trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in zuccheri e ossigeno, la tecnologia proprietaria di Air Company combina l’anidride carbonica con il gas idrogeno e un catalizzatore. Il composto liquido risultante contiene alcoli che possono essere separati per distillazione. Attualmente Air Company commercializza colonie di lusso e vodka prodotte con il suo alcol. Ma il vero obiettivo, dice Stafford, è quello di decarbonizzare il settore dell’aviazione trasformando l’alcol in un carburante sostenibile per jet.
L’Agenzia Internazionale dell’Energia stima che l’aviazione produca attualmente oltre il 2% di tutte le emissioni di carbonio legate all’energia.
Attualmente, per produrre un litro di carburante Air Company occorrono circa 12 kilowattora di elettricità, ovvero circa il doppio dell’energia contenuta nel prodotto finale. Air Company acquista certificati di energia rinnovabile per compensare l’elettricità consumata in questo processo. L’azienda ha attualmente un contratto con l’esercito e spera di vendere carburante per jet su piccola scala nei prossimi anni.
“Qualsiasi cosa si faccia in laboratorio non conta. La maggior parte delle tecnologie non muore nella fase iniziale di proof of concept, ma in quella di scale-up”, afferma Stafford. “Abbiamo dimostrato che possiamo far funzionare i nostri reattori su scale rilevanti per le tecnologie chimiche industriali”.
di Kathryn Miles
12 settembre 2023
Young Suk Jo
Amogy
I trasporti sono una delle industrie più inquinanti del mondo, con circa il 15% delle emissioni globali di gas serra. I veicoli elettrici ridurranno queste emissioni nei prossimi decenni, ma le batterie non possono contenere abbastanza energia per alimentare i veicoli utilizzati in altre forme di transito globale, come i camion e le navi transoceaniche.
Young Suk Jo, 34 anni, ha trovato una possibile soluzione in una sostanza chimica improbabile: l’ammoniaca. Amogy, una startup che Jo ha co-fondato nel 2020, sta costruendo sistemi in grado di utilizzare l’ammoniaca, tipicamente un componente dei fertilizzanti, come carburante per alimentare camion e navi.
Una delle caratteristiche più interessanti dell’ammoniaca è la sua densità energetica, ovvero la possibilità di racchiudere molta energia in uno spazio relativamente piccolo. L’ammoniaca liquida può trasportare una quantità di energia circa tre volte superiore a quella dell’idrogeno compresso, uno dei principali combustibili puliti.
Per Amogy, la chiave per utilizzare l’ammoniaca nei trasporti è la sua separazione. Una delle tecnologie principali del sistema di conversione dell’ammoniaca in energia è un reattore chimico chiamato cracker. Questo reattore scompone l’ammoniaca in azoto, che può essere rilasciato in modo sicuro nell’atmosfera, e idrogeno. L’idrogeno può poi essere utilizzato in una cella a combustibile per produrre elettricità. Il cracking dell’ammoniaca non è un processo nuovo, ma Jo e i suoi co-inventori hanno sviluppato un catalizzatore chimico che può aiutare la reazione a funzionare a una temperatura più bassa, consentendo il processo a bordo dei veicoli. Il team ha anche sviluppato un reattore che può funzionare in modo più efficiente rispetto allo standard attuale, trasformando circa il 40% dell’energia contenuta nell’ammoniaca in elettricità.
di Casey Crownhart
12 settembre 2023