I progressi nella fisica e nei campi scientifici correlati hanno portato a molte scoperte nelle tecnologie per le energie rinnovabili che, a loro volta, ci hanno dato i prodotti che oggi stanno iniziando a fare la differenza nella vita delle persone in tutto il mondo.

Cosa fa uno scienziato in laboratorio, dall’ideazione allo sviluppo di una nuova cella solare o al design di una pala di turbina eolica? Come utilizzano gli scienziati la fisica, inclusa la fisica quantistica e dello stato solido, la scienza dei materiali, la biofisica, la scienza dei polimeri, l’aerodinamica, la termodinamica, la superconduttività e l’ottica?

Sebbene i mulini a vento esistano da secoli e il sole abbia riscaldato gli edifici in molte parti del mondo per generazioni, queste tecnologie hanno compiuto un salto quantico a partire dai progressi scientifici degli anni ’50 e ’60. Il fotovoltaico – trasformare la luce solare in elettricità – ha ricevuto il suo primo impulso dai primi satelliti e dal programma spaziale. Con l’aiuto della fisica e dei materiali avanzati, il costo dell’elettricità solare è stato ridotto di 100 volte negli ultimi due decenni. I pannelli solari forniranno energia pulita e affidabile in molte parti del mondo nel prossimo secolo, così come l’energia eolica.

La comprensione dell’aerodinamica, accelerata dall’industria aerospaziale, ci ha fornito profili alari che rendono l’elettricità prodotta dalle moderne turbine eoliche quasi competitiva in termini di costo con quella generata dai combustibili fossili.

Dobbiamo portare la fisica fuori dal laboratorio e dentro le nostre case. Quali sono i prodotti di energia rinnovabile che oggi sono utilizzati dall’industria e dai consumatori?

Tetti fotovoltaici; celle e pannelli solari a film sottile con efficienze da record; pareti solari (collettori solari traspirati); sistemi di energia solare autonomi per la casa e le aziende; applicazioni fotovoltaiche su scala di rete che forniscono energia a migliaia di clienti; piccole turbine eoliche per singoli edifici e grandi macchine eoliche su scala industriale installate nei parchi eolici in tutto il paese.

Quali ricerche in laboratorio oggi ci daranno la prossima generazione di prodotti e sistemi per le energie rinnovabili?

Generazione e stoccaggio dell’idrogeno; celle a combustibile; termofotovoltaico—utilizzare il calore invece della luce solare per generare elettricità e turbine eoliche avanzate.

Quale ruolo possono avere la fisica e le altre discipline scientifiche nello sviluppo di tecnologie energetiche pulite che aiuteranno a risolvere gravi problemi ambientali, come il cambiamento climatico globale e l’inquinamento atmosferico?

L’economia lineare è un sistema inefficiente: molti materiali di valore vengono “persi” nelle discariche e i prodotti che vengono fabbricati sono costantemente sottoutilizzati.

La gestione dei rifiuti (WM) rappresenta una sfida per le autorità pubbliche a causa dell’aumento della produzione di rifiuti conseguente alla crescita della popolazione urbana, degli oneri economici imposti al bilancio comunale e dei disagi inevitabilmente causati all’ambiente e agli abitanti locali.

Al contrario dell’economia lineare, l’economia circolare mira a disaccoppiare la crescita dal consumo di risorse finite ed è per sua natura riparativa e rigenerativa.

La transizione verso un’economia circolare è impegnativa, poiché solo il 9 percento dei beni e dei prodotti dell’economia globale viene riciclato in un modo o nell’altro. Un processo così multidisciplinare e sfaccettato necessita intrinsecamente di informazioni scientifiche solide e basate sull’evidenza riguardo alle potenziali conseguenze delle decisioni prese.

Contemporaneamente alla crescita industriale, all’aumento della popolazione, alla rapida urbanizzazione e al miglioramento degli standard di vita delle comunità, negli ultimi decenni nell’Unione Europea (UE) vengono sprecate enormi quantità di materiali. Le statistiche UE mostrano che fino a 2,6 miliardi di tonnellate di rifiuti (specificati dalla Direttiva 2008/98/CE) sono stati generati nel 2014, di cui la maggior parte proviene da attività economiche come costruzioni (34,7%), estrazione mineraria (28,2%) e manifattura (10,2%), mentre le famiglie hanno contribuito per l’8,3%. I modelli di consumo, la ricchezza economica in combinazione con la crescita prevista della popolazione probabilmente porteranno a un aumento della quantità di rifiuti solidi urbani nel prossimo futuro. Nel complesso, la produzione di rifiuti indica la limitata capacità di utilizzare in modo efficiente le risorse primarie. L’economia lineare è un modello strutturato di base che si basa sull’estrazione di materie prime e sulla loro trasformazione in prodotti e potenziali sottoprodotti che, dopo l’uso, vengono trattati come rifiuti e principalmente smaltiti in discariche o siti di deposito. In passato, questo modello è stato considerato un approccio efficace e di successo, capace di produrre beni a prezzi competitivi, favorendo le economie dei paesi in via di sviluppo e industrializzati e incoraggiando i consumi umani.

Tuttavia, le preoccupazioni riguardanti l’esaurimento delle risorse naturali biotiche e abiotiche (carbone, minerali, metalli, legno, ecc.), con le conseguenti sfide di approvvigionamento, hanno portato a una maggiore attenzione su come dovremmo gestire le risorse disponibili. In questo senso, lo smaltimento dei rifiuti non solo comporta perdite significative di materiali, ma ha anche impatti rilevanti sull’ambiente, riducendo infine la qualità della vita. In ultima anal