L’universo ci parla

by Ing. Federico FratiniNo Comments

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Marzo 2016 (Anno XIII – Numero 3), intitolato “L’universo ci parla”.

Non si tratta di una nuova filosofia newage, ma della rivoluzione scientifica che stiamo vivendo in questo momento grazie alle rilevazioni delle onde gravitazionali effettuate da LIGO il 14/09/2015.

Cosa sono le onde gravitazionali?
Proprio 100 anni fa il genio di Einstein stravolse le leggi newtoniane con la teoria della relatività, che incorporando la forza di gravità ci spiega come la materia riesce a curvare lo spazio-tempo intorno a lei. Le onde gravitazionali sono deformazioni della trama dello spazio-tempo. Al passaggio di queste onde le distanze spaziali si contraggono ed espandono aritmicamente. Tali onde possono essere generate da fenomeni cosmici in cui una enorme massa asimmetrica si muove velocemente, oppure dall’esplosione di supernove o dalla collisione di oggetti massivi come i buchi neri. Una volta create queste viaggiano alla velocità della luce percorrendo distanze incredibili, poiché non sono rallentate dalla materia che incontrano.

Cosa è LIGO?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) è un osservatorio ideato per il rilevamento delle onde gravitazionali. Il progetto è stato fondato con l’apporto congiunto tra scienziati del California Institute of Technology (Caltech) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT), e sponsorizzato dalla National Science Foundation (NSF). Un sogno ambizioso, uno sforzo epico, un costo elevatissimo (365 milioni di dollari), che però dopo 25 anni di duro lavoro, l’impegno di migliaia di studiosi, la collaborazione di 16 nazioni, contro ogni previsione (Einstein stesso disse che non era possibile) è stato raggiunto questo monumentale traguardo, paragonabile al momento in cui Galileo puntò il telescopio verso il cielo e studiò le stelle 400 anni fa.

Cosa è successo?
Il 14/09/2015 i due interferometri di LIGO (Livingston ed Hanford) hanno misurato le distorsioni nella trama dello spazio-tempo, cioè le onde gravitazionali arrivate sulla terra e prodotte da un incredibile evento, denominato GW150914, accaduto in un punto dell’universo distante 1,3 miliardi di anni luce dalla terra. Le onde sono state generate dalla fusione di due piccoli buchi neri, ognuno 30 volte più grande del sole, che hanno piroettato tra loro a metà della velocità della luce, fondendosi infine in un buco nero più grande (solo 150 km di diametro), mentre 3 intere masse solari di materia si sono trasformate in energia creando l’onda gravitazionale. Questa ha viaggiato per 1.300 milioni di anni (quando sulla terra la vita cellulare era appena agli albori) lungo tutto l’universo, giungendo fino a noi che siamo riusciti a misurare questa impercettibile variazione dello spazio-tempo, durata appena 0,45 secondi, deformando lo spazio di appena 10-21 metri (come accorgersi quando la stella più vicina a noi si sposti di un millimetro!).

Come funziona l’interferometro?
L’interferometro consiste in 2 bracci perpendicolari lunghi 4 km, mantenuti sottovuoto, un generatore laser, un vetro che spezza il raggio inviandolo ai due bracci, e gli specchi che lo riflettono indietro verso un rilevatore. Nelle normali condizioni i fasci luminosi si annullano, ma quando un onda gravitazionale attraversa la terra, questa allunga ed accorcia alternativamente i due bracci, ed i raggi laser percorrendo distanze differenti producono uno sfasamento luminoso che raggiunge il rilevatore.

Conclusioni
Le rilevazioni confermano l’esistenza delle onde gravitazionali, quella dei buchi neri e la possibilità che questi possano scontrarsi. Questo stravolge le nostre conoscenze ed apre scenari completamente nuovi. Dobbiamo essere ancora più orgogliosi perché un ruolo di primo piano è stato svolto dai nostri scienziati di Virgo, un identico osservatorio situtato a Cascina (PI) che diventerà operativo a fine 2016. Quello che scopriremo in futuro è inimmaginabile. L’universo ci parla, ed ora possiamo ascoltarlo in un modo che prima era impensabile!

Quanto siamo giganti

by Ing. Federico FratiniNo Comments

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Ottobre 2015 (Anno XII – Numero 9) intitolato “Quanto siamo giganti”.

Se nell’ultimo articolo abbiamo visto come siamo infinitamente piccoli rispetto all’universo che ci circonda, in questo apprezzeremo la nostra grandezza se paragonata alle minute particelle che ci compongono. Infatti l’elemento più piccolo che ad oggi conosciamo è il neutrino, che dovrebbe avere una larghezza di 10-23 metri, mentre il quark ha una dimensione di 10-18 metri. Per cercare di dare un idea della piccolezza del quark si dovrebbe immaginare di ingigantire un uomo fino a farlo diventare grande quanto tutto il nostro sistema solare (12 miliardi di km), sarebbe un individuo mastodontico, eppure in proporzione il quark sarebbe largo solo come un sottile capello.

Poi è impressionante pensare che tutto il sistema solare percorra un orbita ellittica intorno al centro della sua galassia (la Via Lattea) con una velocità di rivoluzione di 250 km/s; insomma non lo sapevamo ma siamo tutti in viaggio (andiamo anche veloce!), ed ogni 230 milioni di anni il sole completa un intero giro della nostra galassia.

Torniamo all’argomento principale, per scoprire che l’elettrone ha una grandezza di 10-15 metri contro le dimensioni di un atomo pari a 10-10 metri, e per cercare di capire quanto l’elettrone è grande rispetto all’atomo basti pensare che se noi fossimo l’atomo, l’elettrone in proporzione sarebbe grande come un pallone da calcio, distante da noi come Tivoli da Castel Madama, ed in continua rotazione nello spazio intorno a noi, cioè al nucleo atomico. Impressionante, in pratica siamo fatti di vuoto, infatti il volume occupato dai protoni, neutroni ed elettroni è incredibilmente piccolo rispetto a tutto il resto dell’atomo, e precisamente lo spazio vuoto dell’atomo è il 99,999%.

Continuando a giocare con il nostro microscopio virtuale, a questo punto incontriamo il DNA grande (si fa per dire) 10-9 metri, e il virus nanobio, che con i suoi 10-8 metri è la forma di vita più piccola conosciuta. Pensate che il nostro sangue è fatto di globuli rossi (che trasportano l’ossigeno) larghi solo  10-6 metri (1 micron , cioè un millesimo di millimetro), mentre tutti noi almeno una volta nella vita, anche se per pochi secondi, siamo stati minuscoli quanto un ovulo umano che misura 10-4 metri (cioè un decimo di millimetro), in pratica lo spessore di un capello (incredibile!).

L’essere vertebrato più piccolo finora scoperto è una rana di 7×10-3 metri (7 millimetri), pensate che entra in una moneta da 1 centesimo, mentre la nostra statura media è di 1,7 m, che però è piccola se confrontata con l’animale più grande mai conosciuto, cioè la balenottera azzurra, un mammifero marino di 33 metri di lunghezza e ben 180 tonnellate di peso.

Una massa che è più grande di 2.000 volte rispetto a quella di un essere umano, che a sua volta è infinitamente gigantesca se paragonata alla massa dell’elettrone (9,1×10-31 kg), infatti il peso dell’uomo è 1.000 miliardi di miliardi di miliardi di volte più grande di quello dell’elettrone.

Noi siamo infinitamente piccoli in confronto all’universo, ed allo stesso tempo immensamente grandi rispetto al mondo atomico che ci compone, ma conosciamo veramente poco sia del primo che del secondo!

Quanto siamo piccoli

by Ing. Federico FratiniNo Comments

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul mensile “La Piazza” nel numero di Settembre 2015 (Anno XII – Numero 8) intitolato “Quanto siamo piccoli”.

Poco tempo fa ho guardato un video di Youtube, intitolato “Star Size Comparison HD”, che mi ha estremamente colpito perché mi ha ricordato quanto l’essere umano sia infinitamente minuscolo nella vastità dell’universo.
Lo spazio comune che conosciamo è quello euclideo tridimensionale, cioè l’ambiente nel quale si colloca la nostra vita quotidiana, sul quale si basa la meccanica classica newtoniana che vede lo spazio ed il tempo come oggetti distinti, assoluti ed indipendenti.
Ma guarda un po’, all’inizio del 1905 scopriamo che non è così, infatti i lavori di Poincaré, Lorentz e la relatività speciale di Einstein ci dimostrano invece che c’è un legame indissolubile fra spazio e tempo, e soprattutto che questi riferimenti sono relativi, cioè cambiano: il tempo non è assoluto, non scorre con la stessa velocità dappertutto. Dunque nel 1907 nasce lo spazio di Minkowski, il cosiddetto spazio-tempo, una struttura matematica quadridimensionale.
Non finisce qui, di fatto questo modello è solo una semplificazione della realtà, un’approssimazione locale di un evento, ma non va bene per descrivere tutto l’universo! Così nel 1915 compare la relatività generale di Einstein, che incorporando la forza di gravità ci spiega come la materia riesce a curvare lo spazio-tempo. E’ come gettare su un lenzuolo teso una palla da biliardo, che per il peso affonda, ed il lenzuolo si curva come farebbe lo spazio-tempo vicino ad un grande pianeta. Ed in futuro chissà cos’altro sarà scoperto?

Come si misura lo spazio?
E’ generalmente utilizzato il sistema internazionale di unità di misura (SI), ed attualmente il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo esattamente pari 1/299.792.458 secondi.

Qual è la velocità della luce?
La velocità di propagazione della luce è pari a 299.792.458 m/s (costante C). Per darvi un idea di quanto sia grande, pensate che noi vediamo la luna perché è illuminata dal sole, la cui luce riflessa dal nostro satellite impiega solo un secondo per percorrere lo spazio tra luna e terra. Invece l’anno luce è la lunghezza percorsa dalla luce nel vuoto durante un intero anno, una distanza inimmaginabile.

Newton ed il secchio d’acqua
Per dimostrare che lo spazio fosse indipendente dalla materia Newton prende un secchio con dell’acqua che viene appeso ad una corda. L’acqua ha inizialmente una superficie piatta, ma se si fa ruotare il secchio la superficie dell’acqua diviene concava, e se anche si ferma la rotazione del secchio la superficie dell’acqua rimane per un po’ concava e continua a girare. L’acqua non c’è più ma lo spazio che occupava continua ad esistere.

Einstein ed il paradosso dei gemelli
Consideriamo due fratelli gemelli: uno rimane sulla terra mentre l’altro sale su un’astronave che parte nell’anno 2000, e viaggiando quasi alla velocità della luce (0,87 volte C) raggiunge una stella molto distante (8 anni luce) dal nostro pianeta e poi torna indietro. Quando i due gemelli si rincontrano, per quello che è rimasto sulla terra sono trascorsi 18 anni (8 : 0,87 x 2) mentre per quello che ha viaggiato il tempo è avanzato più lentamente, sono passati solo 9 anni. Il tempo non è assoluto, cambia in base alla velocità, e scorre più lento man mano che ci si avvicina alla velocità della luce!

Quanto siamo piccoli!
La stella più grande che conosciamo è “VY Canis Majoris”, una ipergigante rossa distante ben 3.800 anni luce dalla terra, con una circonferenza addirittura di 6.000.000.000 di Km (la terra è solo 40.000 Km), e se la volessimo percorrere con una Ferrari alla velocità di 300 Km/h, senza mai fermarci, servirebbero perfino 2.300 anni per fare l’intero giro del pianeta. E questa stella è solo un minuscolo punto dello spazio buio intorno a noi, infatti una galassia contiene centinaia di miliardi di stelle ed esistono più di 100 miliardi di galassie nell’universo (la nostra è la Via Lattea), perciò a conti fatti ci sono almeno 70.000 miliardi di miliardi di stelle.
E’ sbalorditivo pensare alla vastità del cosmo, vedere quanto siamo infinitamente minuscoli, e capire così che la terra non è il centro dell’universo.

Fame di Energia

by Ing. Federico FratiniNo Comments

Qui sotto è riportato l’articolo pubblicato sul giornale “La Piazza” nel numero di Febbraio 2015 (Anno XII – Numero 2) intitolato “Fame di Energia”.

L’umanità ha fame di energia, siamo sempre più simili alle orde di cavallette che radono al suolo le zone che invadono; basti pensare solo all’Italia, passata da un consumo annuo di energia primaria di 2 Mtep del 1900 ai 180 Mtep del 2009. In 109 anni abbiamo aumentato il consumo di quasi 100 volte! Per quanto tempo pensiamo di continuare su questa strada? E se anche il miliardo di individui in India emulasse i nostri consumi? Forse è bene adottare un sistema economico sostenibile, che lasci qualche speranza di sopravvivenza anche alle future generazioni.

Andamento dei consumi di energia
I consumi di energia primaria sono aumentati esponenzialmente nell’ultimo secolo, spinti dall’industrializzazione e dalla crescita della popolazione, ma non illudiamoci che le risorse terrestri siano illimitate, viviamo su un pianeta enorme ma sempre finito, e con questi ritmi esauriremo in breve tempo tutta la sua vitalità. Si riporta l’evoluzione dei consumi italiani di energia primaria espressi in Mtep (Milioni di tonnellate equivalenti di petrolio):
– anno 1900: 2 Mtep di solidi / 0,1 Mtep di petrolio / 0,1 Mtep di energia elettrica / 2,2 Mtep totali;
– anno 1970: 9 Mtep di solidi / 5 Mtep di gas / 22 Mtep di petrolio / 5 Mtep di energia elettrica / 41 Mtep totali;
– anno 2009: 13 Mtep di solidi / 64 Mtep di gas / 73 Mtep di petrolio / 20 Mtep di rinnovabili / 5 Mtep di energia elettrica / 175 Mtep totali

Siamo energeticamente autosufficienti?
No. L’Italia importa quasi tutto il petrolio ed il gas metano utilizzato per il proprio fabbisogno, ogni problema geopolitico (Russia/Ucraina) o guerra (Iraq) comporta una crisi energetica difficile da superare, non solo per garantire i consumi civili, ma soprattutto per quelli dell’industria che è già in forte affanno.

Consumi mondiali
Nel mondo attualmente ci sono 6.925 milioni di abitanti, con una densità di 53 abitanti/kmq, che consumano una media di energia elettrica pari a 2.645 kWh/abitante. L’uso delle risorse disponibili è però molto sbilanciato, infatti un occidentale consuma quasi 10 volte di più di un asiatico o di un indiano, come si può dedurre dai consumi elettrici pro capite qui sotto riportati:
– Europa 4.773 KWh/abitante;
– Italia 5.168 KWh/abitante;
– America 5.757 KWh/abitante;
– Africa 553 KWh/abitante;
– Asia 1.953 KWh/abitante;
– India 636 KWh/abitante.

Produzione di energia elettrica
L’Italia ha prodotto nell’anno 2013 circa 290 TWh (tera-watt-ora) di energia elettrica lorda complessiva, suddivisa tra queste tipologie di fonti:
– idroelettrica 55 TWh;
– termoelettrica 193 TWh;
– geotermoelettrica 5 TWh;
– eolica 15 TWh;
– fotovoltaica 22 TWh;
Questa energia non è però sufficiente per il fabbisogno nazionale, tanto che importiamo 42 TWh di energia elettrica per sopperire alle nostre esigenze.

Energie pulite
Nel 2013 in Italia la produzione da energie pulite ha garantito il 32,9% dei consumi elettrici e circa il 15% di quelli complessivi. La nuova generazione energetica rinnovabile è costituita da oltre 700mila impianti sia elettrici che termici, diffusi nel 100% dei Comuni italiani, da Nord a Sud, dalle aree interne ai grandi centri e con un interessante ed articolato mix di produzione da fonti differenti. Oggi sono presenti impianti da fonti rinnovabili in tutti gli 8.054 Comuni italiani.

Conclusioni
Le riserve di petrolio e gas metano non sono illimitate, a questi ritmi forse dureranno 50-60 anni, comunque prima o poi si esauriranno. Allora non sarebbe intelligente contenere i consumi energetici? Investire nelle fonti rinnovabili e nella ricerca scientifica? Adottare uno sviluppo economico sostenibile? Queste sono le grandi sfide che l’umanità ha davanti a se.