Roland Winston ha lavorato per 39 anni presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Chicago, uno dei maggiori centri mondiali di ricerca interdisciplinare sulla fisica sperimentale applicata e sulla fisica delle alte energie, che ha presieduto per sei anni, e dal 2003 insegna all’Università della California di Merced. Come altri scienziati dell’Università di Chicago si è occupato di diversi campi della fisica, dalla ricerca sulle particelle elementari alla non-imaging optics, della quale è oggi uno dei massimi esperti mondiali.
Si tratta di una disciplina fisica, che in una traduzione italiana imperfetta, potremmo indicare come “ottica senza immagine” o, come preferiscono i francesi, optique sans formation d’image, i cui principi consentono di realizzare sistemi che concentrano e intensificano la radiazione in modo molto più efficiente delle lenti e dei concentratori basati sull'”ottica con immagine”. La loro applicazione spazia dalla fisica delle alte energie, all’astrofisica, al settore commerciale dell’energia solare. Il primo non-imaging concentrator fu realizzato da Winston nel 1965 per misurare la radiazione nucleare associata all’effetto Cerenkov, nel corso di esperimenti di fisica delle alte energie.
Oggi quel concentratore, comunemente chiamato Compound Parabolic Concentrator o Concentratore Parabolico Composto, è un componente che sta rivoluzionando la progettazione e la realizzazione dei sistemi solari, da quelli solari termici e fotovoltaici, a quelli per l’illuminazione naturale, con lo sviluppo di efficienti riflettori (basti pensare al percorso della radiazione in senso inverso a quello che interessa nel caso della concentrazione) di luce naturale, chiamati anche “anidolici” dal greco an=senza e eidolon=immagine).
Al professor Winston abbiamo chiesto di raccontarci come nacque il suo interesse per l’energia solare, spiegandoci anche come la ricerca fisica possa contribuire al suo sviluppo.
Prof. Winston come è nato il suo interesse per l’energia solare?
“Nel 1973 Robert G. Sachs, direttore dell’Argonne National Laboratory, organizzò un seminario sulle possibilità dell’energia solare. Le conclusioni furono che una barriera all’utilizzo di questa fonte era rappresentata dalla necessità dei concentratori solari di inseguire il Sole. A quel tempo ero un giovane professore all’Università di Chicago. Sachs si ricordò che stavo lavorando su delle modalità della concentrazione non tradizionali che avevo chiamato “non-imaging optics” (ottica senza immagine). Mi chiese un parere. Dopo alcune settimane di lavoro pensai che i miei concentratori a due dimensioni (parabolici lineari), progettati in base ai principi della nonimaging optics, erano in grado di intercettare gli angoli con i quali si vede il sole durante il giorno e durante l’anno. Era quindi possibile ottenere un fattore di concentrazione 10 con concentratori orientabili di tanto in tanto e un fattore 2 con dei concentratori fissi. Fu questo l’inizio del CPC o Concentratore Parabolico Composto”.
Quali scoperte scientifiche nel Novecento hanno rivoluzionato le prospettive dell’energia solare?
“Quella sulla radiazione del corpo nero da parte di Planck nel 1900, la spiegazione di Einstein dell’effetto fotoelettrico nel 1905 e la meccanica quantistica di Schroedinger e di Heisenberg nel 1928”.
E quali discipline hanno registrato i maggiori progressi ai fini dell’uso di questa fonte energetica?
“Prima di tutto, la fisica dei semiconduttori, che ha portato allo sviluppo delle celle solari, e poi la scienza dei materiali, l’ingegnerizzazione della produzione delle superficie selettive, i collettori sotto vuoto, il miglioramento dei materiali ottici”.
In che modo la non-imaging optics sta rivoluzionando le tecnologie solari?
“La non-imaging optics ci offre la possibilità di costruire concentratori fissi o senza inseguimento del sole per raggiungere le alte temperature e concentratori capaci di ottenere elevatissimi flussi della radiazione per produrre energia elettrica con celle fotovoltaiche multigiunzione”.
Che impatto potrebbe avere la non-imaging optics nell’ambito applicativo?
“La combinazione delle tecnologie del vuoto, delle superficie selettive e della concentrazione con la nonimaging optics consente di costruire dei concentratori fissi con i quali è possibile ottenere calore di origine solare a temperature elevate. Questa possibilità offre un’ampia serie di applicazioni per la climatizzazione invernale e estiva degli ambienti, per la produzione di calore per i processi industriali e persino per la produzione di elettricità. I concentratori ad altissimo flusso della radiazione su efficientissime celle fotovoltaiche multigiunzioni sono un’altra strada molto attraente per la produzione di energia elettrica”.
