Per una tecnologia umanocentrica

Per una tecnologia umanocentrica

17 dicembre 2015 hp
Cingolani Header_androide piccolo2
I cambiamenti climatici, la perdita della biodiversità, i cicli dell’azoto e del fosforo, la perdita dell’ozono stratosferico, l’acidificazione degli oceani, l’utilizzo dell’acqua potabile, lo sfruttamento eccessivo del terreno, l’inquinamento chimico, la dispersione dei gas in atmosfera non sono altro che i sintomi più evidenti dello scompenso dovuto alla civilizzazione del pianeta terra da parte dell’uomo. Uno squilibrio amplificato ulteriormente da una forte pressione demografica crescente, correlata ad una disomogeneità del benessere fra le diverse aree del pianeta.

La situazione che vive il pianeta è quello  di una minoranza (20%) che sfrutta l’80% delle risorse energetiche e idriche. La speranza di un futuro per l’umanità passa necessariamente da un riequilibrio del rapporto fra l’uomo e il suo ecosistema. Non può esistere sviluppo o progresso senza un ripensamento complessivo del modo di produrre e consumare. La tecnologia è decisiva per dare all’uomo la possibilità di una nuova via allo sviluppo. In particolare le nanotecnologie – quelle tecnologie cioè che consentono il controllo della materia a livello atomico – possono dare un contributo notevole, perché finalmente dischiudono all’uomo la possibilità di imitare in senso tecnologico i meccanismi che in qualche modo utilizza la natura, ampliandone e perfezionandone alcune funzionalità.

Il primo vantaggio è quello di avere tecnologie che nascono da processi produttivi a basso consumo energetico e utilizzando materiali che per lo più condividono gli stessi elementi della natura e quindi maggiormente eco-compatibili, se non addirittura bio-degradabili. Inoltre queste tecnologie consentono – almeno in parte – di migliorare lo sfruttamento delle risorse del pianeta, di ridurre le differenze fra le popolazioni del mondo e di rendere meno invasiva la presenza dell’umanità sul pianeta. Prima di tutto occorre pensare a come migliorare e rendere più sostenibile l’uso di ciò che abbiamo.

 

 

Il primo elemento da preservare è l’acqua

 

Le falde sono sfruttate intensamente, mentre i laghi e fiumi sono sempre più inquinati. Molti processi industriali manifatturieri utilizzano l’acqua in modo massiccio. Questo implica oltre alla razionalizzazione nell’utilizzo, anche lo sviluppo di nuove tecnologie manifatturiere che utilizzino minori quantità di acqua in produzione. La depurazione dell’acqua richiede nuovi sistemi di micro filtratura e lo sviluppo di membrane ingegnerizzate su scala nanometrica. E’ in corso un grosso sforzo da parte della comunità scientifica per sviluppare processi di purificazione dell’acqua che sfruttano l’energia solare per desalinizzare l’acqua o per purificare l’acqua di residuo producendo anche idrogeno mediante fotocatalisi. Lo sviluppo di soluzioni a basso costo per la purificazione dell’acqua da olii e da metalli pesanti, sia per la pulizia dei mari che per la potabilizzazione è una grande sfida delle nanotecnologie. Uno studio recente sviluppato da IIT ha dimostrato che si possono cambiare le proprietà delle spugne in modo da farle diventare idrofobiche e simultaneamente oleofiliche (non assorbono acqua ma solo olio). Soluzioni di questo tipo consentono di elaborare filtri selettivi per potabilizzare l’acqua a partire dalla conoscenza chimica dei suoi inquinanti. Strettamente connesso al problema dell’acqua, quello dell’energia.



Dickenson V. Alley, photographer, Century Magazine

Dove c’è energia, c’è industria, ci sono trasporti e infrastrutture, forme di welfare avanzato, alimentazione, istruzione e sanità per i cittadini. I paesi energeticamente forti sono quelli dove si vive di più: sono quelli dove è semplice avere un frigorifero che conserva i cibi, acqua ed elettrodomestici per l’igiene, alimentazione completa, ospedali e apparecchiature diagnostiche di alto livello, etc. Produrre un Megawatt/ora di potenza elettrica (circa il consumo di una cittadina) richiede acqua in grandi quantità per la produzione ed estrazione del combustibile e per il raffreddamento: 80 mila litri per una centrale a gas, 200 mila litri per una centrale a carbone e da 100 a 200 mila per una centrale nucleare.  La prima cosa che occorre fare è adottare comportamenti razionali volti al risparmio: muoversi in maniera sostenibile, produrre e riciclare materiali che siano biodegradabili, ridurre la produzione di rifiuti, ottimizzare i grandi processi industriali. Esempi significativi sono le nuove sorgenti a LED che consumano molto meno a parità di luce prodotta e che durano molto di più. Allo stesso modo i nuovi materiali nanostrutturati possono contribuire in maniera sensibile a ridurre la dispersione termica degli edifici, consentendo un forte risparmio di energia per riscaldamento. La seconda considerazione riguarda le fonti di energia. La natura ci ha insegnato che i sistemi viventi funzionano grazie alla fotosintesi e al metabolismo cellulare. E’ quindi ragionevole pensare che la miriade di oggetti che usiamo tutti i giorni e che richiedono potenze di qualche centinaio di watt (illuminazione, elettrodomestici, computer, ecc.), siano alimentate autonomamente non più da batterie o da corrente elettrica della rete ma da energia prodotta per fotosintesi oppure per scissione da zuccheri. Un essere umano è una macchina da mille watt, grosso modo come un frigorifero; in un futuro non troppo lontano dovremo alimentarlo con celle di combustibile alimentate con materiale organico. Qualche soluzione è già disponibile. Le nanotecnologie stanno andando nella direzione di sorgenti di energia portatile, miniaturizzata e ad alta efficienza e in nuovi sistemi di accumulo. Queste sorgenti sono pensate per alimentare oggetti che si muovono e di potenza non elevata, dall’elettrodomestico all’automobile. Fra queste tecnologie vanno ricordati i materiali termoelettrici e i dispositivi Harvester (raccoglitori) per il recupero di energia meccanica. I primi convertono il calore in elettricità. Al momento questa resta una tecnologia di nicchia che può avere applicazioni nell’elettronica di consumo, ma difficilmente adatta per potenze elevate.

 

 

“Dagli orologi agli accendini”

 

La conversione di energia meccanica ed elastica apre maggiori prospettive. Un uomo camminando dissipa 60 W di potenza semplicemente muovendosi. Questo lavoro è compiuto contro la forza di gravità o come energia potenziale elastica trasformata durante il movimento. Un dispositivo harvester trasforma energia meccanica in una corrente elettrica che può essere utilizzata immediatamente o accumulata in una batteria. Il nostro organismo è una fonte costante di energia. Analogamente si può pensare all’enorme quantità di energia elastica persa nelle sospensioni di un mezzo di trasporto durante la marcia. Per convertire i movimenti in energia elettrica si può sfruttare la piezoelettricità, la capacità cioè di convertire la pressione meccanica o la deformazione in corrente elettrica. I materiali piezoelettrici sono già largamente impiegati in diversi dispositivi di uso comune (dagli orologi agli accendini, ai software di riconoscimento vocale) e numerose altre applicazioni sono già facilmente ipotizzabili in ambito energetico. Questo per illustrare solo alcune delle tecnologie meno conosciute e più immediate che la ricerca sta sviluppando in ambito energetico.

Un ulteriore campo di applicazione delle nanotecnologie è quello del cibo. Soddisfare la domanda di cibo del pianeta richiede la minimizzazione dell’impatto ambientale sull’agricoltura e sulla produzione industriale, il controllo del cambiamento climatico, il miglioramento del packaging e il trasporto sicuro. Sarà crescente la richiesta di metodi per diagnosticare lo stato biologico ed organolettico del cibo dopo lunghi trasporti, la modificazione delle caratteristiche chimico-fisiche di alcuni cibi e lo sviluppo di impacchettamento che consentano una più lunga conservazione dell’alimento. Le soluzioni nanotecnologiche che si stanno prospettando sono molte: sensori biologici e genetici collocati all’interno delle confezioni o del cibo, che consentono di monitorare l’esistenza di virus, tossine e batteri in quantità infinitesimali, in modo da prevenire la loro proliferazione. Sono in fase di sviluppo dei nano composti in grado di rilasciare con velocità controllate essenze naturali o medicinali che servono a proteggere il cibo da batteri e parassiti. Tutto dovrà essere creato da materiali naturali e ritornare nella natura dopo il ciclo di utilizzo, esattamente come gli esseri viventi. E’ pertanto ovvio che difficilmente una tecnologia che debba operare con gli umani, intorno agli umani o dentro ad essi possa essere troppo diversa dalle soluzioni già sperimentate, sviluppate e selezionate dall’evoluzione. Pertanto, a meno che non si parli di aerei, navi e grandi sistemi che non hanno equivalente naturale (evoluzionistico), tutte le altre tecnologie sono in qualche modo destinate a copiare la natura e cioè ad essere bioispirate.

L’attuale situazione dell’ecosistema planetario mostra in concreto l’effettiva necessità di un ridimensionamento e un riutilizzo delle risorse in termini quantitativi e di sostenibilità.

Roberto Cingolani
Roberto Cingolani
Roberto Cingolani nasce a Milano nel dicembre 1961, consegue nel 1985 la Laurea in Fisica presso l’Università di Bari, dove nel 1988 ottiene il titolo di Dottore di Ricerca in Fisica. Nel 1989 consegue il Diploma di Perfezionamento in Fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa. Tra il 1989 e il 1991 è ricercatore presso il Max Planck Institut für Festkörperforschung a Stuttgart (Germania). Nel 1992 è nominato Professore associato di Fisica all’Università del Salento, dove nel 2000 diventa Professore di Fisica Generale alla Facoltà di Ingegneria. Nel 1997 è Visiting Professor all’Institute of Industrial Sciences della Tokyo University (Giappone) e, l’anno dopo, alla Virginia Commonwealth University (USA). Nel 2001 è Fondatore e Direttore del National Nanotechnology Laboratory (NNL) dell’INFM presso l’Università del Salento. Dal dicembre 2005 è il Direttore Scientifico dell’Istituto Italiano di Tecnologia, a Genova.