Il Fotovoltaico Dilaga! E la Stereosfera Avanza

 

I pannelli solari flessibili sono l'ultima innovazione dell'energia fotovoltaica. Sono meno efficienti del FV tradizionale, ma costano pochissimo e si possono piazzare ovunque. Un altro passo verso un mondo che si sta liberando dei combustibili fossili. 

Vista la rapidità con la quale la "rivoluzione fotovoltaica" si sta sviluppando, mi sembra il caso di riproporre un articolo che avevo pubblicato nel 2016. Mi sembra che avevo azzeccato le mie previsioni. L'energia fotovoltaica sta avanzando a passi da gigante. Il petrolio sta facendo la fine dei dinosauri e a breve ci ritroveremo in una nuova era, che ho chiamato "stereocene." Non è affatto detto che sia una cosa piacevole per gli esseri umani, che rischiano, come sempre, di perdere il controllo delle loro invenzioni. Ma così vanno le cose su questo pianeta, ed è difficile pensare che l'energia fotovoltaica possa fare peggio di quanto abbia fatto (e sta tuttora facendo) il petrolio

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

Da “Cassandra's legacy”. 2016

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 porti 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 bisogno 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.

Viva l'Italia! Il “paese del sole” può raggiungere il milione di impianti fotovoltaici?

Da “Resource Crisis”. Traduzione di MR

Di Ugo Bardi

Nonostante l'inarrestabile disastro economico, nonostante la disoccupazione, la burocrazia, la tassazione eccessiva, il malgoverno, la corruzione, la mafia e tutto il resto, gli italiani stanno reagendo almeno in un settore: nelle energie rinnovabili, specialmente nel fotovoltaico.

Potete vedere le tendenze in Italia nell'immagine qui sotto (da assoelettrica). Notate come il numero di impianti stia crescendo più rapidamente della potenza installata, indice della tendenza verso i piccoli impianti.

Futuro profondo: il destino finale della specie umana

Da “Resource crisis”. Traduzione di MR

di Ugo Bardi

Negli anni 50 sapevamo come sarebbe stato il futuro: un'era di prosperità e di miracoli senza precedenti. Energia troppo a buon mercato da poterla quatificare, macchine volanti, vacanze sulla Luna e la conquista dello spazio. Poi, gli eroi spaziali tornavano sulla Terra per rilassarsi sl bordo delle loro piscine mentre dei maggiordomi-robot portavano loro dei cocktail. Per la verità, il futuro di quel tempo aveva un lato oscuro: quello dell'olocausto nucleare. Ma era comunque un futuro in cui l'ingegno umano trionfava su tutto il resto.

Il futuro di oggi è completamente diverso. Il modo in cui vediamo il destino della specie umana è inestricabilmente collegato al grande “impulso” di combustione di carbonio che è andato avanti per un paio di secoli e che ora sta raggiungendo il suo picco. Il carbonio fossile ci ha portati dove ci troviamo ora, creando la prosperità della nostra civiltà industriale. Ma i combustibili fossili si stanno rapidamente esaurendo e questo crea numerose conseguenze. Una è l'impossibilità di mandare avanti una società industriale senza energia a buon mercato abbondante. L'altra è il riscaldamento globale che sta trasformando la Terra in un pianeta completamente nuovo. Questi effetti plasmeranno la specie umana del futuro in modi che non possono essere previsti con esattezza, ma che possiamo immaginarci sotto forma di “scenari” - futuri che potrebbero verificarsi. Quindi, ecco alcuni futuri possibili per la specie umana, messi in ordine dal meno attraente (estinzione a breve termine) a quelli più ottimistici, che comprendono l'espansione nell'intera galassia. 

1. Estinzione

L'estinzione è uno scenario semplice da descrivere: la specie umana si estingue e questo è quanto. La scala temporale dell'estinzione potrebbe essere nell'orine di millenni, secoli o, forse, solo decenni (nell'ultimo caso, potremmo definirla “Estinzione a Breve Termine”, un termine reso popolare da Guy McPherson). In ogni caso, l'estinzione sarebbe molto rapida in confronto al lasso temporale dell'esistenza del homo sapiens, cioè almeno 200.000 anni. 

L'estinzione è uno scenario del tutto possibile se ipotizziamo il dipanarsi di alcuni degli effetti più terribili dell'impatto umano sull'ecosfera, in particolare le emissioni di gas serra. Il grande “rutto del metano” che potrebbe risultare dalla fusione del Permafrost terrestre potrebbe aumentare le temperature fino a 6-8°C ed anche di più in tempi nell'ordine di pochi secoli o anche molto più rapidamente. In questa versione estrema, il riscaldamento globale potrebbe evolvere in una “catastrofe venusiana”, dove tutta la biosfera potrebbe essere sterilizzata da temperature estremamente alte. Per la verità, questo scenario sembra essere escluso dai risultati degli attuali modelli climatici, ma non abbiamo bisogno della catastrofe venusiana per squilibrare l'ecosistema ad un grado tale che le le risorse di cui gli esseri umani hanno bisogno per sopravvivere vengano distrutte. A quel punto, la conseguenza potrebbe essere solo una: l'estinzione. 

Questo è uno scenario che lascia poco da discutere sul destino della specie umana: Ma, ipotizzando che la biosfera non venga completamente distrutta, il pianeta potrebbe recuperare in seguito? Forse sì, ma non è detto. Oggigiorno, la Terra si trova pericolosamente vicina al margine interno della zona abitabile del Sistema Solare e viene spinta via da essa dal graduale aumento della radiazione solare. E' un processo molto lento per gli standard umani, ma si stima che i vertebrati non abbiamo che un periodo limitato, forse non più di 100-150 milioni di anni, di vita prima che la Terra diventi troppo calda perché possano sopravvivere. Un grande disastro come quello che stiamo contemplando in questo scenario potrebbe spazzare via la Terra dalla zona abitabile dai vertebrati. In questo caso, la biosfera terrestre potrebbe ritornare a un mondo di creature unicellulari come è stato durante gli eoni dell'Archeano o del Proterozoico. In tal caso, è possibile, e forse probabile, che i vertebrati non si ri-evolvano mai più e che il pianeta rimanga dominato da forme di vita unicellulari finché non viene sterilizzato da ulteriori aumenti della radiazione solare, fra circa un miliardo di anni da adesso. 

Ma ipotizziamo che l'ecosistema possa recuperare senza grandi perdite di phyla. In tempi nell'ordine delle centinaia di migliaia di anni, l'eccesso di CO2 nell'atmosfera verrebbe rimosso e trasformato in carbonati solidi. Ciò raffredderebbe lentamente il pianeta e l'ecosistema recupererebbe gradualmente la sua produttività precedente. A quel punto, i vertebrati potrebbero ritornare di nuovo abbondanti e la Terra si presenterebbe molto simile a com'era milioni di anni fa, quando gli antenati degli essri umani non sembravano destinati alla grande esplosione di numeri che sarebbe avvenuta con l'Antropocene. 

C'è una possibilità che la Terra faccia evolvere ancora specie di esseri senzienti? Non è impossibile. Se alcune specie di primati possono sopravvivere al grande impulso di carbonio, potrebbero sviluppare di nuovo la capacità di costruire strumenti e, col tempo, un'intelligenza di tipo umano. Ci vorrebbe del tempo, considerando che ci sono voluti quasi 50 milioni di anni per arrivare all'homo sapiens dai primati delle origini, ma sarebbe comunque possibile entro il tempo di vita della biosfera per i vertebrati. Se tutti i primati si estinguono, allora l'impresa diventa più difficile, considerando che ci sono voluti 400 milioni di anni perché apparissero i primati dopo l'evoluzione dei vertebrati. Ma, ancora una volta, non sarebbe impossibile e, comunque, forse gli esseri senzienti non hanno bisogno di essere primati. Così, potrebbe esserci una seconda possibilità (e probabilmente anche l'ultima) per le creature intelligenti di fare meglio di quanto abbiamo fatto noi. Buona fortuna a loro.

2. Lo scenario Olduvai.

Il “Ritorno a Olduvai” è stato proposto da Richard Duncan nel 1996 per descrivere l'effetto del graduale esaurimento dei combustibili fossili. Prende il nome da quello di una regione della Tanzania, in Africa, dove vivevano i nostri remoti antenati. L'idea è che, senza combustibili fossili, gli esseri umani perderebbero la loro fonte principale di energia e sarebbero costretti a tornare al loro stile di vita di sopravvivenza più antico: come cacciatori-raccoglitori. 

Lo scenario Olduvai potrebbe dipanarsi come risultato di una combinazione di fattori. Prima di tutto, i combustibili fossili diventerebbero gradualmente così costosi da rendere un'economia industriale impossibile. In parallelo, il riscaldamento globale aumenterebbe le temperature così tanto che le latitudini tropicali e temperate diventerebbero impossibili da abitare per tutto l'anno da parte degli esseri umani. A questo punto, gli esseri umani sarebbero costretti a ritirarsi nelle regioni del nord e del sud estremo, dove non è scontato che l'agricoltura sia possibile. Mentre ci allontaniamo dall'equatore, un forte fattore limitante è il basso livello di irraggiamento solare. Le colture possono crescere bene alle alte latitudini, ma il problema già evidente oggi in regioni come l'Islanda e la Groenlandia e che potrebbe rendere impossibile mantenere l'agricoltura per un tempo molto lungo.

Quindi, gli esseri umani che vivono alle latitudini alte potrebbero rendersi conto che la miglior strategia di sopravvivenza per loro è adottare uno stile di vita simile a quello dei moderni Inuit, anche se a temperature molto più alte. Vivrebbero principalmente pescando e cacciando mammiferi marini nella stagione calda – ritirandosi nei loro rifugi durante la lunga notte polare. Nell'emisfero settentrionale, questo stile di vita sarebbe possibile nell'anello di terra che circonda il Polo Nord, in parte dell'Eurasia e del continente americano. Nell'emisfero meridionale significherebbe il vertice del continente americano, la Terra del Fuoco e forse un'Antartide senza ghiaccio, dove gli esseri umani potrebbero vivere per la prima volta nella storia. 

Gli esseri umani moderni sono stati cacciatori e raccoglitori per almeno 200.000 anni. I loro antenati ominidi hanno usato questa strategia per un paio di milioni di anni, come minimo. Quindi, cacciare e raccogliere è un modo di vivere stabile e di successo che gli esseri umani potrebbero adottare per lungo tempo, tanto quanto l'ecosistema planetario sarebbe in grado di conservare il pianeta nelle condizioni degli ultimi 10 milioni di anni, più o meno. In questo caso, queste regioni ad alte latitudini probabilmente si ricongelerebbero e si ricoprirebbero di ghiaccio. Gli esseri umani potrebbero quindi tornare a latitudini minori. A questo punto, probabilmente riscoprirebbero l'agricoltura e ricomincerebbero una civiltà agricola, come avevano fatto decine o centinaia di migliaia di anni prima. Passiamo quindi allo scenario successivo: il ritorno all'agricoltura.

3. Il ritorno all'agricoltura. 

Supponete di finire i combustibili fossili facili, cioè, quelli abbastanza a buon mercato da poter sostenere una società industriale. E supponete che non abbiamo usato l'energia che avevamo – quando l'avevamo – per costruire un'alternativa. Quindi, saremo costretti a tornare al mondo com'era prima che cominciassimo a bruciare combustibili fossili: un'economia completamente basata sulle risorse biologiche, cioè sull'agricoltura. 

Questo è uno scenario lineare che non implica eventi speciali se non l'ipotesi che gli effetti del cambiamento climatico non sarebbero così drastici e rovinosi come alcuni scenari li descrivono. Non che la transizione non sarebbe traumatica per gli esseri umani. Il mondo senza combustibili fossili e senza alternative a questi non sarà in grado di sostenere, nemmeno lontanamente, la stessa popolazione che l'agricoltura alimentata dai combustibili fossili aveva sostenuto. E non è solo la mancanza di combustibili fossili che ridurrà la produttività agricola, è il fatto che secoli di agricoltura intensiva hanno distrutto una grande percentuale del suolo fertile che ha dato vita alla civiltà umana. Questo porterebbe necessariamente a una drastica riduzione della popolazione umana. In un tale scenario, “traumatico” è sicuramente riduttivo. Ma la specie umana sopravviverebbe. 

In questo futuro agricolo, difficilmente ci sarebbe la possibilità di una nuova rivoluzione industriale. I combustibili fossili che hanno creato quella attuale sarebbero finiti e ci vorrebbero milioni di anni perché si riformino, se ma lo faranno. I metalli sarebbero a loro volta scarsi, anche se i nostri discendenti contadini si troverebbero bene a passare al setaccio le rovine delle vecchie città in cerca di metalli. Avrebbero un sacco di ferro e rame e potrebbero perfino usare l'alluminio per le loro pentole fondendo le miriadi di lattine delle bibite che sono rimaste in giro. Ma il loro livello tecnologico sarebbe gravemente limitato dalla mancanza di combustibile: avrebbero solo legna e carbonella per la loro metallurgia. Quindi, i nostri discendenti potrebbero ancora lavorare il ferro e potrebbero ancora uccidersi fra loro con spade e lance (e, forse, anche con qualche sporadico moschetto e cannone). Ma non sappiamo di nessuna società del passato che abbia potuto sviluppare una rivoluzione industriale senza una fonte di energia abbondante e a buon mercato. 

Curiosamente, tuttavia, c'è una possibilità di una nuova esplosione dell'industrializzazione in questo futuro lontano. Sarebbe il risultato dell'estrazione mineraria in Antartide e, in misura minore, in Groenlandia ed altre regioni settentrionali ad alte latitudini. A causa della copertura di ghiaccio, finora queste regioni sono state scarsamente sfruttate per i minerali (o non lo sono state affatto, nel caso dell'Antartide). Ma il grande impulso di carbonio potrebbe scaldare il pianeta a sufficienza da fondere i ghiacciai del mondo completamente ed aprire queste terre all'estrazione mineraria. In questo caso, i nostri discendenti potrebbero avere una seconda (e probabilmente ultima) possibilità di sviluppare una nuova rivoluzione industriale basata sul carbone. Ciò riporterebbe tutto al punto di partenza: con una nuova società industriale minacciata dalla combinazione mortale di esaurimento e cambiamento climatico. I nostri discendenti sarebbero in grado di fare meglio di noi? Considerando che sono – di fatto – i nostri discendenti, probabilmente no. Quindi, questo secondo ciclo di industrializzazione potrebbe essere davvero l'ultimo sul pianeta. 

A parte il carbone dell'Antartide, i nostri discendenti potrebbero rimanere contadini per molto, molto tempo. Si dice che le società agricole del passato potevano essere descritte come “contadini governati da briganti”, ma questa è una semplificazione eccessiva per una struttura sociale integrata in cui di diversi strati eseguono compiti altamente specifici: contadini, guerrieri, preti, artigiani ed altro. Col tempo, le società agricole potrebbero evolvere convergendo nella struttura sociale tipica di altre specie che praticano l'agricoltura: principalmente formiche e termiti. Queste specie sono “eusociali” (o “ultrasociali”, secondo alcune definizioni) e praticano la specializzazione estrema, per esempio le “regine” che si occupano della riproduzione, mentre gli altri membri della società sono femmine sterili lavoratrici e guerrieri. La società umana agricola del futuro potrebbe diventare qualcosa di simile? Perché no? Almeno un'altra specie di mammiferi ha sviluppato una piena eusocialità (la talpa nuda). 

Le specie eusociali sono altamente resilienti e tendono a dominare l'ecosistema, come fanno le formiche e le termiti e lo hanno fatto con successo negli ultimi 50 milioni di anni. In linea di principio, gli esseri umani eusociali potrebbero anche mantenere il proprio dominio dell'ecosistema e continuare in questo ruolo per decine o centinaia di migliaia di milioni di anni, finché non scompariranno gradualmente in un lontano futuro quando la Terra diventa troppo calda perché i vertebrati sopravvivano. Se succede questo, sarebbero stati i vertebrati di maggior successo della storia della Terra, una specie che ha anche brevemente sognato di conquistare lo spazio.

4. La grande rivoluzione metabolica.

In più di 4 miliardi di anni di esistenza, la Terra non è mai stata ferma. Forze potenti l'hanno plasmata in una serie continua di rivoluzioni che hanno visto lo sviluppo forme di vita sempre più complesse, sempre più capaci di sfruttare il gradiente termodinamico creato dalla luce del Sole. Durante questo periodo, abbiamo assistito a diverse rivoluzioni metaboliche, due delle quali sono state le più importanti. La prima è stata la fotosintesi, circa 4 miliardi di anni fa. La seconda è stata il metabolismo aerobico, circa 2,5 mliardi  di anni fa. E' le seconda rivoluzione, alla fine, che ha generato i vertebrati e noi. 

Oggi, sembra che abbiamo raggiunto un impasse in questa crescita sempre in aumento di complessità biologica. Di fatto potremmo essere diretti nella direzione di un'inversione di tendenza creata da cambiamenti a lungo termine dell'ecosfera. Il termostato planetario che stabilizza la temperatura della Terra funziona regolando la concentrazione di CO2 nell'atmosfera. Ma con il graduale aumento della radiazione solare queste concentrazioni sono già prossime al limite minimo necessario per la fotosintesi. Quindi, l'attuale ecosistema si trova in una situazione senza uscita: a lungo termine, o verrà distrutto dalla mancanza di CO2 o dalle alte temperature. Quindi, perché un sistema complesso sopravviva, ci serve una rivoluzione metabolica davvero drastica. La fotosintesi organica ha raggiunto i suoi limiti: dobbiamo passare ad un tipo di substrato completamente diverso.

Cos'è la fotosintesi, dopotutto? E' un modo per trasformare l'energia solare in elettroni eccitati ed usarli per creare composti chimici che possono ridare indietro quell'energia a richiesta. L'efficienza della fotosintesi in questo processo è ritenuta arrivare a circa il 13% in condizioni ideali – in pratica è nell'ordine del 8%. Notata anche che le piante non funzionano come macchine fotosintetiche al di fuori di una gamma ridotta di temperature e senza nutrienti e sostanze chimiche che non sempre sono disponibili.

Così, se vogliamo un'altra rivoluzione metabolica ci serve qualcosa che sia più efficiente e meno esigente in termini di condizioni ambientali. Una possibilità è la cella fotovoltaica (FV). L'efficienza di una moderna cella FV al silicio può essere maggiore del 20% nel creare elettroni eccitati. Di per sé, le celle non immagazzinano energia, ma possono essere accoppiate con dispositivi di immagazzinamento ed usate per alimentare una varietà di processi e reazioni per una efficienza complessiva che è confrontabile (e probabilmente superiore) a quella della fotosintesi. Le celle FV al silicio funzionano usando elementi abbondanti: principalmente silicio ed alluminio, più tracce di azoto, boro e fosforo. L'attuale generazione usa anche argento, ma non è cruciale. Ma il grande vantaggio della “fotosintesi del silicio” è che le celle FV a stato solido non hanno bisogno di acqua o di ossigeno gassoso e possono funzionare a temperature bassissime o molto alte, fino a qualche centinaio di gradi centigradi. La “zona abitabile” per le celle FV non è un guscio stretto intorno al Sole: copre un volume enorma che comprende i grandi pianeti e probabilmente si estende anche più vicino e più lontano dal Sole. La quantità di energia solare che può essere raccolta in questo volume è incredibilmente più grande della piccola quantità intercettata dalla Terra. 

Naturalmente, i dispositivi FV a stato solido non vengono normalmente considerati una parte fotosintetica di un ecosistema. Godono del nome di “celle”, ma a differenza delle celle biologiche non si riproducono. Le celle FV delegano la loro riproduzione ad entità specializzate; fabbriche di celle, proprio come le formiche lavoratrici delegano la loro riproduzione ad entità specializzate: le formiche regine. Quindi, fa tutto parte di un nuovo ecosistema che sta emergendo, un ecosistema che comincia dall'inizio come eusociale. 

Sappiamo che i sistemi complessi diventano più complessi quanta più è l'energia che vi fluisce. Se l'ecosistema a stato solido risulta essere più efficiente di quello biologico, allora le prospettive sono da capogiro anche se limitiamo il nostro orizzonte alla superficie della Terra. Naturalmente, è difficile per noi immaginare le conseguenze di tale rivoluzione (pensate a quanto sarebbe difficile per un protista dell'era Proterozoica immaginare l'avvento dei vertebrati). Ciò che possiamo vedere è che un sistema del genere è nato interconnesso su scala planetaria. Il rapido sviluppo di Internet ci sta dando un assaggio di questa nuova situazione di interconnessione estesa. Dal nostro punto di vista di esseri umani, è una perdita spiacevole di privacy. Dall'altra parte, le formiche in un formicaio non sono molto interessate alla privacy. Si tratta, ancora una volta, di una delle caratteristiche dell'eusocialità: si pagano i vantaggi di efficienza con una perdita di individualità. Ma difficilmente possiamo dire più di così: se il nuovo sistema deve nascere, nascerà. Ciò che farà è impossibile da dire, ma può – teoricamente – espandersi a tutto il sistema solare e sopravvivere per tutto il tempo di vita che rimane al Sole, circa 5 miliardi di anni – e anche di più. 

In un certo senso, sarebbe il il trionfo finale degli esseri umani che avrebbero progettato la nascita di un nuovo ecosistema che abbraccia l'intero sistema solare e forse fino all'intera Galassia. E, se è così, saranno ricordati con gratitudine? (Notate, tuttavia, che non ci sentiamo particolarmente in debito verso i nostri antenati monocellulari). 

5. Dove stiamo andando, comunque?

Tutte le civiltà del passato sono declinate ed hanno collassato. Ma il collasso non è nient'altro che un cambiamento rapido e, finché il Sole splende, l'ecosistema ha almeno una possibilità di passare a livelli di complessità maggiori. Il futuro che possiamo vagamente intravedere oggi è ricco di possibilità. Miliardi di anni fa, Marte – e probabilmente anche Venere – hanno avuto una possibilità di sviluppare un'ecosfera organica. Ma in entrambi i casi il tempo disponibile è stato troppo breve e presto entrambi i pianeti hanno lasciato la zona abitabile e sono stati sterilizzati. La Terra ha avuto un tempo molto più lungo, miliardi di anni in più, per sviluppare l'ecosistema che conosciamo oggi. Ma la Terra non è mai stata ferma e non sta ferma: il cambiamento sta accelerando a velocità mai viste prima nella storia. Potremmo precipitare in un pianeta sterile o passare ad un nuovo sistema di incredibile complessità. Si tratta della sfida finale per la specie umana, una sfida che non possiamo evitare di affrontare.