Radiazione termica - fonte universale di energia

di Gabriel Fauner – 3 dicembre 2002

Calore è sinonimo di benessere, di energia, di vita. Nella natura, il calore esiste in quantità immense, e in parte rappresenta una minaccia per la vita (effetto serra).

Il calore è una forma di energia. L’energia termica, tra due solidi può essere trasmessa in tre modi: per contatto diretto, per convezione con l’ausilio di un fluido, e per radiazione.

Sia la trasmissione per contatto diretto che quella per convezione può avvenire solo dal corpo più caldo verso quello più freddo. Questa limitazione non esiste invece per la trasmissione per radiazione.

È pur vero che un corpo più caldo emette più radiazione termica di uno freddo, ma è anche vero che la radiazione emessa da un corpo più freddo può colpire un corpo più caldo ed essere assorbita da questo contribuendo così al suo ulteriore riscaldamento.

Inoltre, la radiazione termica possiede delle proprietà conosciute da tempo ma quasi sempre ignorate nelle applicazioni tecniche: la radiazione termica, insieme alla luce visibile è parte delle radiazioni elettromagnetiche, e come tale obbedisce alle leggi dell’ottica.

Quando un corpo emette più radiazione termica di quanta ne riceve si raffredda. Ma la natura tende ad equilibrare le temperature dei corpi presenti in un certo ambiente. Se quindi un corpo è più freddo dell’ambiente che lo circonda inizia un flusso di calore verso di esso, tramite contatto o convezione. Siamo però in grado di inibire questo flusso di calore con l’isolamento termico.

Per creare una depressione termica, necessaria per poter raccogliere l’energia dal calore dell’ambiente, si può procedere come segue:

tramite isolamento termico impediamo a un corpo di ricevere energia termica dall’ambiente per mezzo di contatto diretto o convezione. Inoltre, con i mezzi dell’ottica (specchi e parabole) raccogliamo il calore emesso dal corpo per radiazione e lo allontaniamo dal corpo stesso. Contemporaneamente impediamo che il corpo possa ricevere a sua volta radiazione termica (oggetti che riflettono non emettono radiazione).

Possiamo utilizzare questo procedimento per esempio per raffreddare e condensare il vapore saturo di gas in un circuito chiuso di gas. Il calore raccolto con il sistema ottico può essere disperso nell’ambiente, ma può essere utilmente impiegato anche per surriscaldare il gas sul lato “caldo” del circuito. Da sottolineare che questo procedimento, al contrario della pompa di calore tradizionale, non richiede l’impiego di energia esterna, ed inoltre non esiste nessun limite per quanto riguarda la temperatura raggiungibile. Vengono sfruttate le proprietà insite nella radiazione termica conosciute da molto tempo.

Un impianto completo autoavviante potrebbe essere composto come segue:

Nel condensatore (Kondensator) raffreddato tramite radiazione termica, il gas saturo proveniente dalla turbina viene raffreddato e condensa. Il liquido freddo viene pompato nel bollitore (Verdampfer) dove assorbe calore dall’ambiente circostante ed evapora. Il vapore saturo passa nel surriscaldatore (Überhitzer), e il vapore surriscaldato, espandendo aziona la turbina, dopodiché il circuito si chiude con il vapore che viene nuovamente raffreddato e condensa.

È da sottolineare che questo procedimento NON CREA NUOVA ENERGIA ma sfrutta solo le potenzialità presenti in natura, come del resto si fa da tempo con l’energia cinetica dell’acqua. L’acqua è destinata in ogni caso a venire a valle. Se la raccogliamo e le facciamo azionare le nostre turbine, possiamo generare energia elettrica. Se invece la lasciamo scorrere spontaneamente, essa produrrà comunque la stessa quantità di “lavoro” muovendo e macinando pietre e trasformando l’energia cinetica in calore. Solo che in questo caso il lavoro per noi non è utile.

Una considerazione analoga può valere per la radiazione termica. Ogni corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione termica. In natura il flusso di questa radiazione è del tutto casuale. Se la radiazione colpisce un altro corpo, questo, in dipendenza dalla qualità della sua superficie, ma indipendentemente dalla sua temperatura, la può assorbire, riflettere o trasmettere. Se la radiazione viene assorbita, l’energia da essa trasportata viene trasformata in calore, e quindi riscalda il corpo colpito.

Grazie alle note proprietà della radiazione termica, con i mezzi ben noti dell’ottica (specchi, specchi parabolici e curvi, lenti) siamo in grado di manipolare questa esattamente come i raggi luminosi: possiamo raccoglierla, concentrarla e deviarla secondo necessità. L’energia prodotta viene sottratta all’ambiente sotto forma di calore, e dopo l’utilizzo viene nuovamente restituita sotto forma di calore.

Un ulteriore vantaggio di questa forma di energia: essa è disponibile in qualsiasi luogo ed in ogni momento e può essere prodotta in modo decentrato (anche per singoli edifici o singoli impianti di produzione). Quindi rende superfluo il trasporto dell’energia su grandi distanze, ma rende anche superfluo il disboscamento attualmente praticato nei paesi poveri per soddisfare le esigenze primarie.

Oltre che per l’azionamento di turbine a gas, la radiazione termica potrebbe essere impiegata anche per la produzione diretta di energia elettrica con termocoppie, sempre che la resa di questa forma di trasformazione sia economicamente sostenibile. Inoltre c’è la possibilità di produrre calore sia per impieghi industriali che per riscaldamento. Non solo: anche il raffreddamento di celle frigorifere potrebbe avvenire direttamente sfruttando la radiazione termica.

 

Per rendere l’idea sull’ordine di grandezza dell’energia disponibile per radiazione:

A temperatura ambiente (15 °C), un corpo, a seconda della sua superficie, emette circa 200-300 Watt per ogni metro quadrato di superficie, e questo ad ogni ora del giorno e della notte, indipendentemente dalle stagioni. A una temperatura di -40 °C, l’energia irradiata si riduce all’incirca del 50%. Un confronto: l’energia proveniente dalla radiazione solare, quando il sole splende e il cielo è terso, è di circa 1370 Watt per metro quadrato. Però appunto solo quando il sole splende e il cielo è limpido.

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