Introduzione.
L’effetto fotovoltaico è un fenomeno di fotosensibilità che dai laboratori è passato alla filiera industriale dopo che molti Paesi, soprattutto in Europa, hanno scelto di puntare su questa tecnologia per un complesso di fattori. Quello che l’opinione pubblica ha colto è la necessità di sostituire il consumo di fonti fossili con altre fonti meno inquinanti, soprattutto per quanto riguarda l’emissione di CO2, maggiore responsabile del surriscaldamento globale.
Nonostante l’impronta dell’uomo moderno sull’ambiente e i suoi effetti negativi – non solo in termini di surriscaldamento ma di deforestazione, riduzione delle superfici coperte dai ghiacci e sparizione accelerata di specie animali – venga denunciata da molte voci attraverso articoli, saggi, interviste e documentari, si trova un modesto riscontro in termini di decisioni politiche. Nella scuola è presentato l’effetto serra nei libri di scienze integrate della scuola di primo grado, nell’insegnamento delle scienze naturali e molto poco in quelli di Fisica.
Le scuole di fisica dominanti in tutti i paesi sviluppati rivolgono l’attenzione al mondo microscopico e alla cosmologia dove non si parla di processi di trasformazione energetica e quindi si evita di accennare ai principi della termodinamica che ci condurrebbero dritti diritti al cuore del problema delle nostre società: produrre beni e servizi senza inquinare il pianeta (cosa impossibile) e allora riducendo l’inquinamento con processi e abitudini efficienti contendo quanto possibile la diminuzione della resa del lavoro (su questo tema entreremo successivamente).
Disperando che le società sviluppate e quelle in via di sviluppo possano trovare a breve termine provvedimenti efficaci che comportano mutamenti radicali degli stili di vita, è necessario provvedere a formare una classe di insegnanti preparata in grado di trasferire nei giovanissimi e nei giovani quella che viene chiamata scienza della sostenibilità. Il filone più promettente è quello che applica i principi della irreversibilità termodinamica ai flussi di energia tra un corpo caldo (il Sole), uno tiepido (la Terra) e uno freddo (lo spazio)
Il sistema educativo oggi non è minimamente in grado di accogliere queste nuove idee ma seguendo le linee di tendenza più avanzate è possibile iniziare a fare qualcosa. Questo ‘qualcosa’ si può trovare nella tecnologia fotovoltaica che trasforma direttamente energia solare, che ha sostenuto e sostiene con i processi fotosintetici, in elettricità nella cella fotovoltaica.
Prima di prendere in considerazione l’effetto fotovoltaico e i concetti chiave della conversione energetica, anche collegati alle caratteristiche impiantistiche, consideriamo la conversione dei fotoni solari in quello che chiamiamo lavoro, vuoi che sia lo sviluppo di un sistema biologico, vuoi che sia un flusso di energia canalizzato per la produzione di lavoro.
Si supponga allora di avere due corpi di massa m1 e m2, non in contatto tra loro, a temperatura T1 e T2 (T1<T2) all’interno di un involucro perfettamente speculare ovvero isolati dall’ambiente esterno. I due corpi emetteranno ed assorbiranno radiazione elettromagnetica fino al raggiungimento dell’equilibrio termico a una temperatura T intermedia tra le due: T1< T< T2.
Se invece supponiamo si disporre i due corpi in uno spazio illimitato a temperatura ambiente Ta allora i due corpi emetteranno o assorbiranno radiazione fino ad assumere la temperatura di ambiente Ta.
Consideriamo il caso particolare dei due corpi entrambi immersi in uno spazio illimitato a temperatura ambiente Ta, inoltre sia m1 un corpo generatore che mantiene la temperatura T1 mentre m2 sia un corpo passivo. Il corpo di massa m2 assorbirà ed emetterà radiazione fino a raggiungere una temperatura Ta< T1. Considerata la proprietà del corpo generatore di mantenere la temperatura T1 la radiazione emessa da m1 viene assorbita e riemessa da m2 nella medesima quantità.
Un corpo che ha le caratteristiche di m2 di ri-emettere tutta la radiazione assorbita mantenendo la temperatura T2 si comporta come una cavità con pareti perfettamente riflettenti e provvista di un forellino e che viene mantenuta a temperatura costante. La radiazione che esce dal forellino è chiamata radiazione di corpo nero e corpo nero tutti i corpi che godono della proprietà.
La situazione dei due corpi sopra descritta è simile alla interazione radiativa tra il Sole a temperatura TS e la Terra alla temperatura Ta (< TS). La temperatura della fotosfera è circa di 5800K mentre quella della Terra e di Ta = 300K.
In Figura 1 lo spettro del Sole è disegnato tra altri due spettri. il suo massimo si trova in corrispondenza alla radiazione giallo verde, una lunghezza d’onda compresa tra i due valori:
380nm < λ < 750 nm.
Si nota che i massimi dei tre spettri si spostano verso lunghezze d’onda più grandi per temperature in diminuzione (legge dello spostamento di Wien: λmax T = cost).
La terra emette con un picco di radiazione ancora più basso e spostato verso il calore (radiazione infra rossa IR): λ > 750 nm.
Considerato che la radiazione è composta di fotoni ciascuno di energia data dalla relazione di Planck:
E = h.f
frequenza f = λ /c; c costante velocità della luce, il numero di fotoni che raggiungono la Terra sarà inferiore a quelli che vengono riflessi per la conservazione dell’energia. Questo viene immediatamente dedotto se consideriamo che lo spettro di emissione della Terra ha un massimo inferiore a quello del Sole, oltreché spostato verso lunghezze d’oda maggiore (fotoni caldi).
Ha particolare interesse studiare il limite della trasformazione dell’energia radiante proveniente dal Sole in lavoro sulla Terra. Questo limite è guardato con interesse dal mondo scientifico e della tecnologia che considerano la possibilità di sostituire la fonte fossile e nucleare con l’energia del Sole.
