Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


mercoledì 28 settembre 2016

Cinque miliardi di anni di approvvigionamento energetico: la “stereosfera” e la rivoluzione fotovoltaica in arrivo

Da “Cassandra's legacy”. Traduzione di MR

di Ugo Bardi


Sembra che oggigiorno sia popolare pensare che l'energia fotovoltaica sia solo una “estensione” dell'energia fossile e che questa svanirà non appena finiremo i combustibili fossili. Ma il fotovoltaico è molto di più di un'estensione dell'energia fossile, è una grande rivoluzione metabolica dell'ecosistema, potenzialmente in grado di creare una “stereosfera” analoga alla “biosfera” che potrebbe durare quanto l'intero ciclo di vita che rimane all'ecosistema terrestre e probabilmente molto di più. Ecco alcune mie riflessioni, non intese come l'ultima parola sul tema, ma parte di una studio che sto portando avanti. Potete trovare di più su un tema simile in un mio articolo su Economia biofisica e qualità delle risorse  (Biophysical Economics and Resource Quality – BERQ).   


“La vita non è altro che un elettrone che cerca un luogo in cui riposarsi” è una frase attribuita a Albert Szent-Györgyi. Ed è vero: la base della vita organica per come la conosciamo è il risultato del flusso di energia generato dalla fotosintesi. La luce solare porta un elettrone ad uno stato energetico più alto nella molecola di clorofilla. Poi, l'elettrone eccitato giunge a riposare quando una molecola di CO2 reagisce con l'idrogeno strappato da una molecola di H2O per formare le molecole organiche che sono alla base degli organismi. Questa energia supporta la sostituzione delle molecole degradate di clorofilla e dei cloroplasti che le contengono, con molecole nuove. Il ciclo viene chiamato “metabolismo” ed è in corso da miliardi di anni sulla superficie della Terra. Continuerà ad andare avanti finché ci sarà luce solare per alimentarlo e i nutrienti necessari che possono essere estratti dall'ambiente.

Ma, se la vita significa usare la luce per eccitare un elettrone ad uno stato energetico più alto, ne segue che la clorofilla non è la sola entità che lo può fare. Nella figura all'inizio di questo post, vedete l'equivalente a stato solido di una molecola di clorofilla: una cella fotovoltaica a base di silicio. Questa porta un elettrone ad uno stato energetico più alto, poi questo elettrone trova riposo dopo aver dissipato il suo potenziale tramite reazioni chimiche o processi fisici. Ciò comporta l'uso di potenziali generati per costruire nuove celle fotovoltaiche e le strutture relative per sostituire quelle degradate. Analogamente al metabolismo biologico, possiamo chiamare questo processo “metabolismo a stato solido”. Quindi, le similitudini fra la catena metabolica basata sul carbonio e quella basata sul silicio sono molte. Così tante che potremmo coniare il termine “stereosfera" (dal termine greco che significa “solido”) come l'equivalente a stato solido della biosfera. Sia la biosfera sia la stereosfera usano la luce solare come il potenziale energetico per conservare il ciclo metabolico e costruiscono strutture metaboliche usando i nutrienti presi dall'ambiente della superficie terrestre.

I nutriente principale della biosfera è il CO2, preso dall'atmosfera, mentre la stereosfera consuma SiO2, prendendola dalla geosfera. Entrambe le catene metaboliche usano molti altri nutrienti: la stereosfera può ridurre gli ossidi di metalli come alluminio, ferro e titanio ed usarli come elementi strutturali o funzionali nella loro forma metallica, mentre la biosfera usa principalmente polimeri di carbonio per questo scopo. La biosfera immagazzina informazioni principalmente in molecole specializzate a base di carbonio chiamate acidi desossiribonucleici (DNA). La stereosfera le immagazzina principalmente in componenti a base di silicio chiamati “transistor”. Gli attuatori meccanici vengono chiamati “muscoli” nella biosfera, e sono basati sui filamenti di proteine che si contraggono in conseguenza del cambiamento dei potenziali chimici. Gli elementi meccanici equivalenti della stereosfera vengono chiamati “motori” e sono basati sugli effetti di campi magnetici sugli elementi metallici. Per ogni elemento di uno di questi sistemi è possibile trovare un equivalente funzionale dell'altro, anche se la loro composizione e i loro meccanismi di funzionamento sono di solito completamente diversi.

Una grande differenza fra i due sistemi è che la biosfera è basata su cellule microscopiche che si auto riproducono. La stereosfera, invece, non ha cellule riconoscibili e l'unità più piccola che si auto riproduce è una cosa che potrebbe essere definita “fabbrica di impianti solari che si auto riproduce”. Una fabbrica che può costruire non solo impianti solari, ma anche nuove fabbriche di impianti solari. Ovviamente, un'entità del genere comprende diversi sottosistemi per estrazione, trasporto, lavorazione, assemblaggio, ecc. e deve essere molto grande. Oggi, tutti questi elementi sono incorporati nel sistema chiamato “sistema industriale,” definibile anche come "tecnosfera"). Questo sistema è alimentato, attualmente, principalmente da combustibili fossili ma, in futuro, verrà trasformato in qualcosa di alimentato completamente dalla dissipazione dei potenziali dell'energia solare. Questo si può fare finché il flusso di energia generata dal sistema è maggiore o uguale all'energia necessaria ad alimentare il ciclo metabolico. Questo requisito sembra essere ampiamente soddisfatto dalle attuali tecnologie fotovoltaiche (ed altre tecnologie rinnovabili).

Una questione cruciale di tutti i processi metabolici è se l'approvvigionamento di nutrienti (cioè i minerali) può essere mantenuto per lungo tempo. Riguardo alla biosfera, evidentemente, è così: i cicli geologici che riformano i nutrienti necessari sono parte del concetto di “Gaia”, il sistema omeostatico che ha mantenuto viva la biosfera per quasi quattro miliardi di anni. Riguardo alla stereosfera, gran parte dei nutrienti necessari sono abbondanti nella crosta terrestre (silicio ed alluminio sono quelli principali) e facilmente recuperabili e riciclabili se è disponibile energia sufficiente. Naturalmente, la stereosfera avrà bisogno anche di metalli che sono rari nella crosta terrestre, ma lo stesso requisito non ha impedito alla biosfera di persistere per miliardi di anni. La geosfera può riciclare gli elementi chimici tramite processi naturali, ammesso che questi non vengano consumati a tassi eccessivamente rapidi. Questo è ovviamente un problema complesso e non possiamo escludere che il costo del recupero di alcuni elementi rari si rivelerà essere un ostacolo fondamentale alla diffusione della stereosfera. Allo stesso tempo, tuttavia, non ci sono prove che questo non sarà possibile.

Quindi, la stereosfera si può espandere sulla superficie terrestre e diventare un ciclo metabolico grande e duraturo? In linea di principio, sì, ma dovremmo tenere conto di un grande ostacolo che potrebbe impedire che si verifichi questa evoluzione. Si tratta del “Effetto Allée”, ben noto per la biosfera e che, per analogia, dovrebbe essere valido anche per la stereosfera. L'idea dell'effetto Allee è che esiste una dimensione minima di una popolazione biologica che le permette di essere stabile. Troppo pochi individui potrebbero non avere risorse sufficienti e interazioni reciproche da resistere alle perturbazioni ed evitare l'estinzione. Nel caso della stereosfera, l'effetto Allée significa che c'è una dimensione minima della fabbrica che auto riproduce gli impianti solari che le permetterà di auto sostenersi e di durare a lungo. Abbiamo raggiunto il “punto di svolta" che porta a questa condizione? Attualmente è impossibile dirlo, ma non possiamo escludere che sia stato raggiunto o che sarà raggiunto prima che l'esaurimento dei combustibili fossili porterà al collasso dell'attuale sistema industriale.

La questione successiva è se una stereosfera che si auto sostiene possa coesistere con la biosfera organica. Secondo la legge di Gause, ben nota in biologia, due diverse specie non possono coesistere nella stessa nicchia ecologica. Di solito una delle due deve estinguersi o essere marginalizzata. I sistemi a stato solido e fotosintetici sono in competizione fra loro per la luce solare, quindi se l'efficienza della trasduzione dei sistemi a stato solido dovesse rivelarsi più alta di quella dei sistemi fotosintetici, si potrebbe espandere a scapito della biosfera. Ma non è una cosa ovvia. Le celle FV oggi sembrano essere più efficienti delle piante fotosintetiche in termini della percentuale di energia solare trasformata, ma dobbiamo considerare tutto il ciclo vitale dei sistemi e, attualmente, una valutazione affidabile è difficile. Dovremmo tenere conto, comunque, che le creature a stato solido non hanno bisogni di acqua liquida e di ossigeno, non sono limitate dai nutrienti locali e possono esistere in una gamma molto più ampia di temperature rispetto a quelle biologiche. Ciò significa che la stereosfera può espandersi ad aree proibite alla biosfera: deserti aridi, cime di montagne, deserti polari ed altro. Le creature basate sul silicio sono anche scarsamente condizionate dalle radiazioni ionizzanti, quindi possono sopravvivere nello spazio senza problemi. Queste considerazioni suggeriscono che la stereosfera potrebbe occupare aree e volumi dove non si troverebbe in diretta competizione con la biosfera.

Le caratteristiche della stereosfera le permettono anche la capacità di sopravvivere alle catastrofi che potrebbero danneggiare profondamente la biosfera e che alla fine ne causeranno l'estinzione. Per esempio, la stereosfera potrebbe sopravvivere ad un cambiamento climatico improvviso (anche se non ad una “Catastrofe di Venere” del tipo di cui parla James Hansen). Sul lungo termine, in ogni caso, la biosfera terrestre è destinata ad essere sterilizzata dall'aumento dell'intensità della radiazione solare in tempi di più o meno un miliardo di anni. La stereosfera non verrebbe colpita da questo effetto e potrebbe continuare ad esistere per i cinque miliardi di anni in cui il sole rimarrà nella sequenza principale. Probabilmente, potrebbe persistere molto più a lungo, anche dopo le complesse trasformazioni che porterebbero il sole a diventare una nana bianca. Una nana bianca potrebbe in realtà alimentare sistemi FV forse per un trilione di anni!

Una serie di mie considerazioni più dettagliate su un tema collegato si possono trovare in questo articolo su “Biophysical Economics and Resource Quality”, BERQ. 


Note:

1. Qui non parlo del fatto che la possibile emersione della stereosfera  sia una cosa buona o cattiva dal punto di vista della specie umana. Potrebbe darci miliardi di anni di prosperità o portarci ad una rapida estinzione. Tuttavia sembra improbabile che gli esseri umani sceglieranno se vogliono averla o no sulla base di argomentazioni razionali mentre hanno ancora il potere di decidere qualcosa su questa materia. 

2. Il concetto di sistema metabolico terrestre chiamato stereosfera non è equivalente e probabilmente nemmeno simile, all'idea di “singolarità tecnologica” che suppone un aumento molto rapido di intelligenza artificiale. La “fabbrica di impianti solari che si auto riproduce” non dev'essere più intelligente di un batterio, deve solo immagazzinare un progetto di sé stessa e le istruzioni sulla replicazione. L'intelligenza non è necessariamente utile alla sopravvivenza, come potrebbero scoprire gli esseri umani con loro dispiacere nel prossimo futuro. 

3. Circa la possibilità di una sfera di Dyson alimentata dal FV intorno ad una nana bianca, vedete questo articolo di Ibrahim Semiz e Salim O˘gur.

4. L'idea di “vita basata sul silicio” è stata resa celebre per la prima volta da Stanley Weinbaum, che ha proposto la sua “Il mostro della piramide” nel suo racconto breve "Un'odissea marziana”, pubblicato nel 1933. Il mostro sgraziato di Weinbaum non potrebbe esistere nell'universo reale, ciononostante è stata un'intuizione notevole.




25 commenti:

  1. Mi sono fatto una domanda e forse qui ho trovato la risposta http://www.aspoitalia.it/blog/nte/2009/12/28/il-fotovoltaico-un-problema-scottante/

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    1. Se installiamo pannelli FV su ghiaccio o sabbia un pensierino al albedo ci vuole.
      Se utilizzassimo i pannelli FV per ombreggiare l'asfalto (strade e parcheggi) il problema non si pone.
      Anche coppi e tegole hanno mediamente un albedo abbastanza basso.

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    2. anche i deserti sono ottimi candidati

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  2. La biosfera è degli esseri viventi (uomini, animali, piante, ...)
    La stereosfera è dei robot (industrie di 4a generazione).

    @"Secondo la legge di Gause, ben nota in biologia, due diverse specie non possono coesistere nella stessa nicchia ecologica."


    Questo significa che il futuro è dei robot?!
    Siamo destinati ad estinguerci?

    E l'Elite di miliardari (0,01% della popolazione) crede che la popolazione povera sia inutile, senza sapere che i prossimi a soccombere saranno loro per mano dei robot.

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  3. possiamo sempre cercare di convincere i robot a riciclarci come batterie biologiche :) (Matrix, l'unico aspetto del film che proprio non mi piaceva)

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  4. ma non eravamo sul picco di tutto? Compreso delle terre rare?

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  5. Interessante che stavo recentemente valutando la stessa cosa dal punto di vista filosofico. Sono le macchine (robot, intelligenza artificiale). L'evoluzione degli uomini? Qual'è il rischio che ciò comporta di distruzione della biosfera? Rischio o opportunità? Se le macchine sono l'ecoluzione della biosfera, conquisteranno l'universo mentre noi andremo lentamente spegnendoci come il 99% dei nostri parenti a base di carbonio che si sono susseguiti nei miliardi di anni? Già le macchine sono su Titano, Marte, girano attorno a comete e pianeti e volano nello spazio siderale oltre i limiti del sistema solare...guidano da sole, si autoproducono,...

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    1. @"Sono le macchine (robot, intelligenza artificiale). L'evoluzione degli uomini?"

      Forse l'Intelligenza delle entità (uomini, robot) procede per gradi.
      Sommariamente potremmo distinguere queste fasi:
      1) materia inanimata;
      2) virus
      3) batteri
      4) flora (piante)
      5) fauna (animali)
      6) primati (Uomo)
      7) robot intelligenti (velocità di elaborazione nettamente superiori alle capacità umane)
      8) Entità metafisiche... (o chissà cos'altro).

      Ognuna di queste fasi fa nascere la successiva, senza far scomparire la precedente (l'invenzione dei motorini non ha fatto scomparire le biciclette).

      Ogni fase successiva ha caratteristiche superiori, ma si completa usando anche quella dei livelli precedenti.

      Nessuna entità può avere solo dei pro e nessun contro.
      Ogni entità può essere più adatta a certe cose, e meno per altre.
      Il fatto che anche le entità dei livelli più bassi continuino ad esistere (ridimensionate a volte), permette una evoluzione più completa e l'uso di tutte le risorse.

      Oggi la fauna si auto-ripara (le ferite guariscono), cosa che le macchine non fanno, ma possono sostituire i pezzi.
      La fauna è più flessibile / adattabile ma ha prestazioni elaborative e meccaniche inferiori.

      E' probabile che continuerà anche in futuro ad esserci un coesistenza, ma i compiti si divideranno.
      Meglio mandare (per adesso) le macchine nello spazio.

      E' chiaro che la Natura è sempre cambiata e sempre lo farà, alla ricerca di una evoluzione sempre più spinta che è forse il fine del nostro esistere?

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    2. Questo interessante commento all'istruttivo articolo iniziale sembra presentare alcune affinità con l'originale teoria filosofico-scientifico-religiosa elaborata dal "gesuita proibito" P. Teilhard de Chardin: si va forse verso un Punto-Omega riassuntivo dell'intera creazione???
      Un'ampia dose di sano scetticismo risulta opportuna, evoluzionismo
      e finalismo generalmente non vanno d'accordo, tuttavia il discorso di Pulvirenti non sembra affatto campato in aria...

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  6. Nessuna macchina creata dall'estro umano, riesce a piacermi più di un singolo filo d'erba o di una farfalla.
    Siamo diventati incontentabili.
    Non ci basta godere dei frutti e della bellezza del creato ?
    Solo noi esseri umani, una delle tante specie viventi sul pianeta Terra, pensiamo a queste mostruosità.

    Gianni Tiziano

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    1. @"Solo noi esseri umani, una delle tante specie viventi sul pianeta Terra, pensiamo a queste mostruosità."

      Forse perché siamo l'unica specie potenzialmente in grado di farle.
      E poi com'è nata quella bellissima Farfalla?
      Chi ha creato il DNA capace di modificarsi e adattarsi continuamente all'ambiente?

      Il problema è che molte volte non c'è scelta.
      O si va avanti o si soccombe.

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    2. Recentemente è stato pubblicato il libro "L'algoritmo definitivo" di Pedro Domingos. Parla del "machine learning" ovvero il campo di studi che si pone come scopo quello "niente meno" di automatizzare le scoperte. E' un testo arduo da leggere ma si capisce che comunque l'uomo resta insostituibile nel dirigere le enormi potenzialità offerte dall'intelligenza artificiale (chiamiamola così).
      Penso che in un mondo puramente virtuale non si possa sopravvivere. Ma non si sa mai. Anche il mondo naturale non è poi tutto rose e fiori. C'è sempre una via di mezzo.
      Angelo

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  7. Ricordiamoci che robot deriva dalla parola cecoslovacca robota che significa lavoratore, ma che deriva ancora da rabota, "servitù".
    E il termine affine cyborg, organismo cibernetico, contiene la parola ellenica "kiber" che significa timoniere, da cui deriva la parola latina governatore.
    Noi andro-ultimi, per ora non dovremmo preoccuparci di tutti questi androidi.
    Siamo noi ad aver concepito, fin dal tempo dei protoumani una immensa fauna di esseri difformi da noi o tremendamente antropomorfi.
    Per ora e credo per qualche generazione ancora, nessun golem o silicantropo è appena vicino a noi nella gerarchia degli esseri superiormente astuti e complessi.Basta leggersi le avventure di Cadmo.
    Che hanno portato anche a dare il nome all'elemento chimico numero 48 attraverso la città di Tebe.
    Il pericolo viene direttamente dal sottomessora.*
    Da chi ha coniato il termine "Untermensch" ovvero da chi crede d'essere un superumano, e quindi stabilisce la vita e la morte previa sottomissione violenta o larvata, dell'umano che cerca il ritorno al giardino dell'Eden.
    Sia chiaro che subumano o sovrumano sono termini da conoscere ed adoperare con cognizione di causa.
    Appena smettiamo di cercare la nostra vera natura scendiamo muti in quel gorgo dove ogni nome diventa rumore destinato a d estinguersi nel silenzio.
    Quando troviamo un aspetto di questa, risuona una nota in più della sinfonia di cui é fatto il nostro essere.


    *Fornirò una spiegazione su "rimedioevo" di questo termine.
    Marco Sclarandis

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    1. ogni volta non capisco cosa vuoi dire quando tocchi questi argomenti, e soprattutto non ti sbottoni.. quindi non capisco se sono ipotesi, se e fantasia oppure qualcosaltro

      dato che non ti esponi e non dici nulla, purtroppo devo classificarti nella fantasia/ipotesi

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    2. Va bene, CD, provo a usare un altro codice esplicativo.
      Per intanto ,io non temo i robot, cyborg e consimili.
      Temo invece i rappresentanti della "zona grigia", come li definiva Primo Levi riferendosi a quella gente comune che non era né fanatica del nazismo,nè avversaria del medesimo.Ovvero l'uomo qualunque ma nell'accezione più deteriore del termine.
      Ovvero ancora, l'essere umano che rifugge la politica ritenendola cosa che non lo riguarda.Quando invece la politica esiste anche in tutto il resto degli esseri viventi, fatte le debite considerazioni e proporzioni.
      I robot sono una conseguenza dell'evoluzione darwiniana.
      Bisogna poi vedere se riusciremo a capire come riprodurre una coscienza umana, e allora potranno esserci dei diffici problemi da risolvere, se cercheremo di dare ai robot questo tipo di coscienza.
      Ma per restare stretti all'argomento del blog,vedremo se il silicio e l'alluminio ci tireranno fuori dai guai che ci siamo procurati con l'abuso del ferro e del carbonio.
      Fammi sapere se mi hai trovato un altra cartella nello scaffale delle classifiche. ;-)

      Marco Sclarandis




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    3. quindi tu dici che sono quelli che non prendono decisione a causare problemi, e su questo sono totalmente in accordo con te

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  8. " ... Una nana bianca potrebbe in realtà alimentare sistemi FV forse per un trilione di anni!"

    poi pero' sta sterosfera "schiatta"! Eh! :D (mi fa venire in mente la Skynet di Terminator :D)

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  9. anche su Europa ci sono sbuffi di vapore acqueo. Pare che o su un mondo extragalattico o su Marte o su qualche satellite o su Matrix siliceo il mondo andrà avanti. Evviva.

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    1. Per fortuna, ogni tanto, il futuro NON è come lo si prevede.

      Penso che la società attuale possa trasformarsi senza per questo collassare.

      Alcune volte le soluzioni arrivano da parti inaspettate.
      (Non sto parlando dello spazio o di altri pianeti).

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    2. i replicanti dello stargate erano molto peggio delle locuste umane: divoravano anche i metalli. L'istinto di sopravvivenza distrugge ogni cosa pur di mantenersi una parvenza di esistenza, vedi il post precedente.

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    3. me li vedo proprio fra ipotetici 1000 anni, con i robot, i rimanenti esponenti del clero indire battaglie come fanno ora con gli omosessuali.. lol
      niente comunione ai robot

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    4. e nemmeno battesimo e confessione. Perchè non hanno anima, come d'altronde le locuste che pensano solo alle nefandezze. I filosofi antichi, pur privi della rivelazione data ad Abramo e alla sua discendenza, arrivarono a livelli di spiritualità immensi e questo solo grazie al loro desiderio di scoprire quell'essere supremo, che sentivano esistere. Quella che oggi è chiamata "religiosità naturale", che viene persa quando un essere umano rinuncia alla virtute e alla canoscenza, preferendo essere un bruto-locusta.

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    5. quindi un umano è degno e un robot no? tu parli di anima.. lhai vista? lhai fotografata? oppure è solo una supposizione? cosa puoi portare di concreto in apporto alla tua teoria? Ti ricordo il rasoio di Occam. Con me non puoi fare giochetti.

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  10. Fantasia di Walt Disney.
    L'apprendista stregone (Topolino) si può pensare come Homo Sapiens che vuole comandare alla Natura.
    Gli effetti sono disastrosi.
    Chissà se anche per noi arriverà lo Stregone a rimettere tutto a posto.
    Io non credo.

    https://www.youtube.com/watch?v=2DX2yVucz24

    Gianni Tiziano

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