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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.