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sviluppo sostenibile

Tecnologie ispirate dalla natura per un futuro sostenibile: ecco come

Per un futuro più sostenibile servono tecnologie “bioispirate”: tutto dovrà essere creato da materiali naturali e ritornare nella natura dopo il ciclo di utilizzo. Una sfida da affrontare con le nanotecnologie

26 Ott 2018

Roberto Cingolani

Direttore scientifico, Istituto italiano di tecnologia


L’evoluzione dell’uomo è stata da sempre correlata allo sviluppo tecnologico. La storia che ha portato il primo uomo dalle caverne alla conquista dello spazio può essere rappresentata come un progressivo e costante miglioramento della capacità umana di accumulare nuove conoscenze e realizzare nuovi strumenti. Questo percorso si è però compiuto nei secoli a spese delle risorse del pianeta. I cambiamenti climatici, la perdita della biodiversità, i cicli dell’azoto e del fosforo, la perdita dell’ozono stratosferico, l’acidificazione degli oceani, l’utilizzo dell’acqua potabile, lo sfruttamento eccessivo del terreno, l’inquinamento chimico, la dispersione dei gas in atmosfera non sono altro che sintomi dello scompenso indotto dal progresso tecnologico spesso poco sostenibile sul pianeta terra.

Uno squilibrio amplificato ulteriormente dalla pressione demografica crescente e dalla disomogeneità del benessere fra le diverse aree del pianeta. Il pianeta vive una situazione in cui una minoranza (20% della popolazione globale) sfrutta l’80% delle risorse energetiche e idriche. 

Dalla tecnologie una speranza per il futuro dell’umanità

La speranza che il futuro dell’umanità sia più sostenibile è legata allo sviluppo delle tecnologie che consentono di migliorare lo sfruttamento delle risorse del pianeta, di ridurre le differenze fra le popolazioni del mondo e di rendere meno invasiva la presenza dell’umanità sul pianeta. Prima di tutto occorre pensare a come migliorare e rendere più sostenibile l’uso di ciò che abbiamo. Il primo elemento da preservare è l’acqua. Le falde sono sfruttate intensamente, mentre i laghi e fiumi sono sempre più inquinati. Molti processi industriali manifatturieri utilizzano l’acqua in modo massiccio. Servono una razionalizzazione nell’utilizzo delle risorse idriche e uno sviluppo di nuove tecnologie manifatturiere con minor impronta idrica.

Nanotecnologie e depurazione dell’acqua

La depurazione dell’acqua richiede nuovi sistemi di micro-filtratura e lo sviluppo di membrane ingegnerizzate su scala nanometrica. È in corso un grosso sforzo da parte della comunità scientifica per sviluppare processi di purificazione dell’acqua che sfruttano l’energia solare per desalinizzare l’acqua o per purificare l’acqua di residuo producendo anche idrogeno mediante fotocatalisi. Lo sviluppo di soluzioni a basso costo per la purificazione dell’acqua da oli e da metalli pesanti, sia per la pulizia dei mari che per la potabilizzazione è una grande sfida delle nanotecnologie. Uno studio recente sviluppato da IIT ha dimostrato che si possono cambiare le proprietà delle spugne in modo da farle diventare idrofobiche e simultaneamente oleofiliche (non assorbono acqua ma solo olio). Soluzioni di questo tipo consentono di elaborare filtri selettivi per potabilizzare l’acqua a partire dalla conoscenza chimica dei suoi inquinanti.

Acqua ed energia

Strettamente connesso al problema dell’acqua, quello dell’energia. Dove c’è energia, c’è industria, ci sono trasporti e infrastrutture, forme di welfare avanzato, alimentazione, istruzione e sanità per i cittadini. I paesi energeticamente forti sono quelli dove si vive di più: sono quelli dove è semplice avere un frigorifero che conserva i cibi, acqua ed elettrodomestici per l’igiene, alimentazione completa, ospedali e apparecchiature diagnostiche di alto livello, etc. Produrre un Megawatt/ora di potenza elettrica richiede acqua in grandi quantità per la produzione ed estrazione del combustibile e per il raffreddamento: 80 mila litri per una centrale a gas, 200 mila litri per una centrale a carbone e da 100 a 200 mila per una centrale nucleare.  La prima cosa che occorre fare è adottare comportamenti razionali volti al risparmio: muoversi in maniera sostenibile, produrre e riciclare materiali che siano biodegradabili, ridurre la produzione di rifiuti, ottimizzare i grandi processi industriali. Esempi significativi sono le nuove sorgenti a LED che consumano molto meno a parità di luce prodotta e che durano molto di più. Allo stesso modo i nuovi materiali nanostrutturati possono contribuire in maniera sensibile a ridurre la dispersione termica degli edifici, consentendo un forte risparmio di energia per riscaldamento.

Le fonti di energia

La seconda considerazione riguarda le fonti di energia. La natura ci ha insegnato che i sistemi viventi funzionano grazie alla fotosintesi e al metabolismo cellulare. È quindi ragionevole pensare che la miriade di oggetti che usiamo tutti i giorni e che richiedono potenze di qualche centinaio di watt (illuminazione, elettrodomestici, computer, ecc.), possano un giorno essere alimentate autonomamente non più da batterie o da corrente elettrica della rete ma da energia prodotta per fotosintesi oppure per scissione da zuccheri. Un frigorifero consuma più meno la stessa potenza di un essere umano (meno di mille watt); perché non pensare a un futuro in cui potremo alimentarlo con celle di combustibile che trasformano rifiuti organici? Le nanotecnologie stanno andando nella direzione di sorgenti di energia portatile, miniaturizzata e ad alta efficienza e verso nuovi sistemi di accumulo. Queste sorgenti sono pensate per alimentare oggetti di potenza non elevata, come gli elettrodomestici o piccoli sistemi automatici e robotici.  Fra queste tecnologie vanno ricordati i materiali termoelettrici e i dispositivi Harvester (raccoglitori) per il recupero di energia meccanica. I primi convertono il calore in elettricità. Al momento questa resta una tecnologia di nicchia che può avere applicazioni nell’elettronica di consumo, ma difficilmente adatta per potenze elevate.

Come sfruttare la piezoelettricità

La conversione di energia meccanica ed elastica apre maggiori prospettive. Un uomo camminando dissipa circa 60 W di potenza semplicemente muovendosi nel campo gravitazionale. Questo lavoro è compiuto contro la forza di gravità o come energia potenziale elastica trasformata durante il movimento. Un dispositivo harvester trasforma energia meccanica in una corrente elettrica che può essere utilizzata immediatamente o accumulata in una batteria. Il nostro organismo è una fonte costante di energia. Analogamente si può pensare all’enorme quantità di energia elastica persa nelle sospensioni di un mezzo di trasporto durante la marcia. Per convertire i movimenti in energia elettrica si può sfruttare la piezoelettricità, la capacità cioè di convertire la pressione meccanica o la deformazione in corrente elettrica. I materiali piezoelettrici sono già largamente impiegati in diversi dispositivi di uso comune (dagli orologi agli accendini, ai software di riconoscimento vocale) e numerose altre applicazioni sono già facilmente ipotizzabili in ambito energetico. Questo per illustrare solo alcune delle tecnologie meno conosciute e più immediate che la ricerca sta sviluppando in ambito energetico.

Cibo e nanotecnologie

Un ulteriore campo di applicazione delle nanotecnologie è quello del cibo. Soddisfare la domanda di cibo del pianeta richiede la minimizzazione dell’impatto ambientale sull’agricoltura e sulla produzione industriale, il controllo del cambiamento climatico, il miglioramento del packaging e il trasporto sicuro. Sarà crescente la richiesta di metodi per diagnosticare lo stato biologico ed organolettico del cibo dopo lunghi trasporti, la modificazione delle caratteristiche chimico-fisiche di alcuni cibi e lo sviluppo di tecniche di packaging che consentano una più lunga conservazione dell’alimento. Le soluzioni nanotecnologiche che si stanno prospettando sono molte: sensori biologici e genetici collocati all’interno delle confezioni o del cibo, che consentono di monitorare l’esistenza di virus, tossine e batteri in quantità infinitesimali, in modo da prevenire la loro proliferazione. Sono in fase di sviluppo dei nano composti in grado di rilasciare con velocità controllate essenze naturali o medicinali che servono a proteggere il cibo da batteri e parassiti.

Tutto dovrà essere creato da materiali naturali e ritornare nella natura dopo il ciclo di utilizzo, esattamente come gli esseri viventi. È pertanto ovvio che difficilmente una tecnologia che debba operare con gli umani, intorno agli umani o dentro ad essi possa essere troppo diversa dalle soluzioni già sperimentate, sviluppate e selezionate dall’evoluzione. A meno che non si parli di aerei, navi e grandi sistemi che non hanno equivalente naturale (evoluzionistico), tutte le altre tecnologie sono in qualche modo destinate a copiare la natura e cioè ad essere bioispirate.

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