Il Sole è la stella del nostro sistema solare e rappresenta la fonte primaria di energia che arriva sul nostro pianeta. Spesso pensiamo al Sole come una gigantesca palla di fuoco che brucia nello spazio, ma questa immagine è completamente sbagliata. Ciò che brucia infatti ha bisogno di ossigeno (O2) per mantenere la combustione. Il problema è che lo spazio è sostanzialmente vuoto e dunque non c'è ossigeno!
Quindi come fa a emettere luce se non avviene la reazione di combustione? In realtà è errata la premessa: il Sole non brucia e non è fatto di fuoco. La combustione è una reazione chimica tra un combustibile (che può essere per esempio legno, metano ecc.) e un comburente (generalmente l'ossigeno) che sviluppa calore e tipicamente anche fiamme. Nel cuore del Sole, invece, non avvengono reazioni chimiche ma reazioni nucleari.
Laggiù le temperature sono così elevate (circa 15 milioni di °C al centro del Sole) che la materia si trova in uno stato di plasma, in cui i nuclei degli atomi sono separati dagli elettroni. L'enorme pressione e densità fanno sì che i nuclei degli atomi di idrogeno (che sono singoli protoni) si avvicinino abbastanza tra loro per vincere la loro repulsione elettrostatica - dovuta al fatto che hanno tutti carica positiva - e si uniscano assieme per formare, dopo una serie di passaggi, nuclei di elio. In altre parole, il Sole è una fabbrica di elio!
In conclusione il Sole non brucia, ma è incandescente per via della sua alta temperatura dovuta all'energia liberata dalle reazioni termonucleari al suo interno!
Il Ruolo del Sole e i Benefici per la Vita
Il sole è fonte di vita: i suoi raggi forniscono alla Terra calore e luce, ed è responsabile dell’attivazione della fotosintesi clorofilliana, il processo con cui le piante producono essenziali sostanze nutrienti e ossigeno. Ha un ruolo significativo anche per la nostra salute.
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Innanzitutto, l’esposizione alla luce solare negli esseri umani stimola la produzione di vitamina D, un ormone con molteplici proprietà in vari organi e tessuti, e il cui apporto con la dieta è talvolta insufficiente. È stato inoltre dimostrato che l’esposizione ai raggi solari ha anche un effetto benefico sull’umore, soprattutto in chi soffre di disturbi affettivi stagionali, una forma di depressione innescata dai cambi di stagione.
La luce solare, infatti, promuove la produzione di serotonina, un neurotrasmettitore che, tra le sue funzioni, aiuta a calmare l’ansia e lo stress e migliora il tono dell’umore. Il sole contribuisce anche a regolare il ritmo sonno-veglia e favorisce un buon riposo notturno. Infine, l’esposizione al sole, nelle quantità idonee e con le necessarie cautele, può contribuire a migliorare alcune malattie della pelle, come determinate forme di psoriasi ed eczemi.
Le Componenti dei Raggi Solari
La luce solare è costituita da radiazioni elettromagnetiche. In particolare, ne fanno parte le onde elettromagnetiche che appartengono al cosiddetto “spettro visibile”, cioè le radiazioni che gli esseri umani possono percepire.
I raggi solari sono dati da radiazioni che hanno energia diversa, intermedia tra quella delle onde radio (che hanno un’energia inferiore) e quella dei raggi x (con energia superiore). Per questo quando le radiazioni solari vengono deviate, per esempio attraverso le gocce d’acqua sospese in aria dopo i temporali, possiamo percepirne la scomposizione in colori diversi, ognuno dei quali è dato da radiazioni elettromagnetiche di energia differente. Ai “margini” dello spettro visibile ci sono le radiazioni infrarosse e quelle ultraviolette, invisibili ai nostri occhi ma capaci di penetrarli.
- Raggi infrarossi: Hanno la capacità di riscaldare, ma proprio per questo possono dilatare i capillari e i vasi superficiali, favorendo la formazione di inestetismi cutanei come la couperose e facilitando o peggiorando le vene varicose delle gambe.
- Luce visibile: Indispensabile per la vita sulla Terra. Tuttavia, può favorire, soprattutto con le sue componenti blu-violette ad alta energia che si avvicinano agli ultravioletti, la degenerazione maculare della retina, prima causa di cecità negli anziani dei Paesi a reddito maggiore.
- Raggi ultravioletti di tipo A (UVA): Rappresentano circa il 95 per cento delle radiazioni ultraviolette che raggiungono la superficie terrestre. Penetrano in profondità nella pelle, stimolando un’abbronzatura lenta e duratura, ma danneggiando le fibre elastiche: sono quindi i principali responsabili dell’invecchiamento cutaneo e della formazione di rughe. Possono causare danni indiretti al DNA delle cellule, e quindi favorire alcuni tumori della pelle. Come avverte l’American Cancer Society, infatti, “non esistono raggi UV sicuri”.
- Raggi ultravioletti di tipo B (UVB): Sono una piccola componente delle radiazioni UV che arrivano sulla Terra, perché circa il 90 per cento viene naturalmente assorbito e quindi trattenuto dalla fascia di ozono che avvolge il pianeta. Gli UVB catalizzano la produzione di vitamina D nella pelle, ma sono anche causa delle scottature solari. Un’eccessiva esposizione a questo tipo di radiazioni è associata a diverse patologie, tra cui tumori della pelle e degli occhi.
- Raggi ultravioletti di tipo C (UVC): Sarebbero i più pericolosi, ma sono bloccati dallo strato di ozono dell’atmosfera e quindi non raggiungono la superficie terrestre. L’assottigliamento della fascia di ozono a causa di sostanze chimiche inquinanti è un tema prioritario dell’agenda sanitaria ed ecologica globale. L’incremento di radiazioni ultraviolette è infatti nocivo sia per la salute umana sia per gli ecosistemi.
Struttura del Sole
Il Sole viene considerato come una stella di medie dimensioni costituita da atomi di idrogeno e atomi di elio.
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- Il nucleo: zona centrale dove avvengono le operazioni di fusione nucleare, fonte principale dell'energia solare.
- La zona convettiva: parte interna nella quale ci sono flussi di plasma che dall'interno salgono verso l'esterno e una volta raffreddati di poco, riscendono.
- La fotosfera: è la superficie esterna del Sole che al telescopio sembra formata da tanti granelli luminosi.
- La cromosfera: parte dell'atmosfera del Sole, che emette la luce rossa ma è sovrastata dalla luminosità della fotosfera.
- Corona: la parte esterna dell'atmosfera solare senza limiti di estensione. É costituita da plasma e si propaga nello spazio.
Invisibili al nostro occhio sono anche le particelle energetiche che il Sole proietta continuamente e che vanno a formare il vento solare.
Il Sole nel Sistema Solare
Il Sole è la stella più vicina a noi e più importante per la nostra esistenza. La sua luce e il suo calore sono indispensabili per la vita della Terra, e la regolarità del suo movimento è uno strumento per misurare il trascorrere del tempo e una metafora per il ciclo dell’esistenza. Tutti i pianeti del Sistema Solare, e in alcuni casi anche comete, asteroidi e meteoriti, descrivono un’orbita di forma ellittica attorno al Sole, che a sua volta ruota attorno al centro della nostra galassia con una velocità approssimativa di 220÷250 km/s.
Il Sole è formato per 3/4 da idrogeno e per 1/4 da elio con tracce di elementi più pesanti come ossigeno, carbonio, ferro. Ma composizione e massa del Sole sono destinate a mutare nel tempo: le reazioni nucleari di fusione che avvengono nel suo nucleo trasformano l’idrogeno in elio e generano l’energia che, sotto forma di luce e calore, raggiunge la Terra. Il tutto a discapito della sua massa - che diminuisce, ogni secondo, di circa 5 t. Tuttavia, la radiazione che il nostro pianeta riceve non proviene direttamente dal caldissimo nucleo, ma dalla superficie del Sole, che invece si trova a una temperatura di ‘appena’ 6.000 °C.
Anche il Sole ha un’atmosfera esterna, la cosiddetta corona, visibile da Terra durante le eclissi totali. La temperatura della corona è di 1.000.000 di °C, di gran lunga superiore a quella della superficie, perché nell’atmosfera solare si verificano eruzioni e brillamenti, vere e proprie esplosioni con getti di gas incandescente. Questa rotazione differenziale distorce le linee di forza del campo magnetico e provoca il fenomeno delle macchie solari.
Si tratta di zone più scure che compaiono sulla superficie della stella e hanno dimensioni che possono superare i 30.000 km di ampiezza. Le macchie seguono un ciclo regolare di circa 11 anni, nell’arco del quale prima aumentano di numero e poi diminuiscono, contrassegnando periodi di maggiore e minore attività del Sole; queste fasi si ripercuotono su di noi con aumenti o diminuzioni della temperatura globale della Terra. Protuberanze e brillamenti, invece, possono causare sul nostro pianeta vere e proprie tempeste elettromagnetiche.
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Sfruttare l'Energia Solare: Tecnologie e Vantaggi
L’energia solare è la principale fonte di energia rinnovabile presente sulla Terra. Si tratta di una fonte pressoché inesauribile e pulita al 100%, non comportando emissioni di CO2 né polveri sottili nell’atmosfera. Gli ambiti di applicazione dell’energia solare sono pertanto molteplici e raccogliere questa energia è diventato molto più semplice nel corso degli anni.
Per energia solare si intende quella forma di energia emessa dal Sole sotto forma di radiazione solare. L’energia solare è la forma primaria di energia del pianeta, da cui derivano quasi tutte le altre. Fanno eccezione l’energia nucleare, geotermica e l’energia derivata dal moto delle maree.
Negli ultimi anni i progressi tecnologici di impianti termici e fotovoltaici hanno raggiunto livelli notevoli. Prima di tutto occorre sapere che il sole irraggia una potenza pari a circa 50 milioni di GW. Tuttavia, questa energia non si concentra in alcuni punti, ma è distribuita su tutta la superficie terrestre. La quantità di energia radiante che giunge sulla Terra dal Sole, per unità di tempo e superficie, è pari a 1,4 kW/m².
Tecnologie per Sfruttare l'Energia Solare
- Fotovoltaico: Il fotovoltaico è il sistema più conosciuto per sfruttare l’energia del sole per ottenere energia elettrica. L’elemento fondamentale di questo sistema è il pannello solare, che assorbe la radiazione solare composta da fotoni solari. Questa corrente viene poi condotta verso l’inverter, il cui compito è quello di trasformare il flusso elettrico continuo in un flusso elettrico a corrente alternata, sfruttabile dalla rete elettrica.
- Solare termico: Un impianto solare termico è in grado di trasformare l'energia rinnovabile solare in energia termica in grado di riscaldare le abitazioni e fornire alle stesse acqua calda sanitaria. In un impianto termico, la luce solare raggiunge e scalda l'assorbitore, che trasferisce a sua volta il calore al fluido termovettore, composto di solito da acqua e antigelo. Il fluido termovettore trasferisce poi l'acqua riscaldata al sistema di distribuzione di acqua calda sanitaria e/o all'impianto di riscaldamento ambientale.
- Solare termodinamico: Un impianto solare termodinamico si integra con una pompa di calore. L’energia del sole riscalda un apposito fluido refrigerante che emette un gas a sua volta inviato a un compressore. Ne viene aumentata la temperatura e viene poi passato a un condensatore. Il liquido si raffredda di nuovo e cede il suo calore all’acqua che verrà usata per ottenere acqua calda sanitaria e riscaldamento dell’abitazione. Tramite l’accumulo di calore nei serbatoi, insomma, questo tipo di impianto supera i limiti dovuti alla presenza/assenza del sole, all’alternanza giorno/notte e delle stagioni.
Vantaggi dell'Energia Solare
L’energia solare viene sfruttata dagli impianti fotovoltaici. Inoltre, rispetto agli altri sistemi che sfruttano le energie rinnovabili, gli impianti ad energia solare hanno la capacità di funzionare tutto l’anno. Una carenza che però viene superata facilmente utilizzando dei sistemi di accumulo, oppure compensando le ore notturne mediante l’utilizzo di sistemi complementari.
L'energia solare è la forma di energia rinnovabile più abbondante sulla Terra. Come tutte le fonti rinnovabili, per definizione, quella solare la otteniamo da una fonte naturale e inesauribile…il Sole! Gli impianti in grado di convertire energia solare in elettricità e calore sono chiamati anche solar farms e si dividono principalmente in sistemi solari fotovoltaici e sistemi solari termici.
Una via di mezzo tra termico e fotovoltaico è il solare termoelettrico. Per spiegarla in modo semplice possiamo dire che al suo interno contiene dei conduttori elettrici di materiali diversi. La differenza di temperatura tra l'uno e l'altro è in grado di generare corrente elettrica grazie ad un fenomeno fisico conosciuto come effetto Seebeck.
Vantaggi e Svantaggi dell'Energia Solare
Partiamo con i vantaggi. Questi sono legati principalmente alla natura rinnovabile di questa energia, essendo il Sole una fonte inesauribile. Inoltre la produzione di energia solare di per sé non emette gas serra né CO2 e permette la transizione verso forme di energia indipendenti dal fossile. Il solare fotovoltaico si presta ad un'elevata serie di applicazioni, da sistemi su piccola scala come elettronica di uso comune fino ad impianti energetici su grande scala. Questo permette di utilizzare questa forma di energia anche in contesti privati e di piccole aziende, permettendo un risparmio energetico ed economico.
Passiamo ora agli svantaggi. La quantità di luce solare che arriva sulla superficie terrestre è mutevole poiché varia a seconda della posizione, dell'ora del giorno, della stagione dell'anno e delle condizioni meteorologiche. Non tutti i luoghi sulla Terra sono adatti alla produzione di energia solare, questo perché la radiazione solare raggiunge la superficie terrestre con un'inclinazione non sempre favorevole. È inoltre necessaria un'ampia superficie per assorbire o raccogliere una quantità di energia tale da rendere il processo proficuo in termini energetici ed economici. Da un punto di vista economico inoltre, sia i costi d'installazione che gli interventi di manutenzione dell'impianto necessitano un investimento piuttosto elevato e costante.
Un altro problema - legato al fotovoltaico nello specifico - è la produzione e lo smaltimento dei pannelli e delle batterie, che hanno un impatto ambientale importante poiché contengono al loro interno sostanze chimiche che necessitano di processi di smaltimento specifico. Se consideriamo l'intero ciclo di vita dei pannelli e degli impianti (quello che viene chiamato LCA o Life Cycle Assessment) vediamo come la produzione, il trasporto, l'installazione e lo smaltimento di questi prodotti portino ad un impatto ambientale non trascurabile.
L'Energia Solare nel Mondo e in Italia
A partire dagli anni '90 la produzione di energia solare è aumentata, grazie allo sviluppo di tecnologie sempre più efficienti e ai costi sempre più accessibili. Dalla mappa sottostante è possibile notare come i maggiori produttori di energia solare siano Cina e USA, seguiti da India, Spagna, Australia e SudAfrica.
I dati 2019 da GSE & TERNA indicano che il settore elettrico in Italia ha subito un incremento generale nell'ultimo decennio, in parte dovuto ad un aumento della produzione di energia elettrica solare. Nel 2019 il consumo di energia da solare fotovoltaico è stato del 9% circa, mentre quello da solare termico inferiore al 2% (dati GSE in collaborazione con TERNA).
Produzione di elettricità da solare, misurata in terawatt-ora (TWh) all’anno
| Paese | Produzione di Elettricità da Solare (TWh) |
|---|---|
| Cina | Dato non disponibile |
| USA | Dato non disponibile |
| India | Dato non disponibile |
| Spagna | Dato non disponibile |
| Australia | Dato non disponibile |
| Sud Africa | Dato non disponibile |
| Italia | Dato non disponibile (9% fotovoltaico, <2% termico nel 2019) |