L'industria "5.0" guarda oltre l'orizzonte terrestre, puntando verso lo spazio periferico intorno al nostro pianeta. Le nostre aziende sono sempre più energivore e più l'industria progredisce, più cresce la richiesta di energia. La produzione e il trasporto dei prodotti industriali sono settori più energivori. Negli ultimi anni si è lavorato duramente per trovare una soluzione praticabile a questa crescente richiesta di energia (almeno finché non costruiremo una sfera di Dyson). Diverse sono state le proposte: diminuire la produzione industriale; diminuire i costi dell'energia; aumentare i mezzi di produzione energetica con l'impiego di sistemi produttivi ecosostenibili; diminuire la quantità di energia richiesta. Proprio in riferimento a quest'ultimo punto si è cercato di capire come sia possibile produrre le stesse quantità di prodotti industriali diminuendo quella di energia impiegata.
Nuove tecniche di produzione
La microgravità consente di produrre più facilmente materiali che sulla Terra sono di difficile produzione. Portare la produzione industriale nello spazio potrebbe costituire una risorsa capace di rivoluzionare il nostro sistema produttivo nella sua complessità: potremmo quindi parlare di una nuova rivoluzione industriale. Gli effetti della gravità diminuiscono con il quadrato della distanza dal centro della Terra e perciò a notevoli distanze dal nostro pianeta i suoi effetti sono sempre meno percepibili, ma non è in questo modo che possiamo ottenere un sistema a gravità zero effettivamente utilizzabile, perché il trasporto di materiali attraverso distanze planetarie sarebbe in ogni caso antieconomico.
Si può invece ottenere l'assenza di gravità in un veicolo in volo orbitale in condizioni tali che la forza centrifuga bilanci esattamente quella gravitazionale. Tutti gli astronauti hanno sperimentato la cosiddetta assenza di peso che, lungi dall'essere soltanto un divertente effetto quasi da luna park, può provocare alla lunga effetti biologici anche gravi. In ogni caso, comunque, l'assenza di gravità permette esperimenti e potrà permettere in futuro anche produzioni industriali su scala ridotta che è difficile - se non impossibile - realizzare sulla terra.
Per rendersi conto degli effetti positivi della gravità ridotta va tenuto presente che, se in un ambiente a gravità zero è impossibile appoggiare un corpo su di un altro per la totale assenza di attrito radente, in un ambiente con bassa gravità trascinare due corpi che siano in contatto l'uno con l'altro tramite una superficie è certamente molto più facile, proprio perché l'attrito è minore e quindi il lavoro dissipato in calore è notevolmente ridotto.
Tra i vari benefici degli ambienti a microgravità, la rimozione della sedimentazione e della galleggiabilità consente la produzione di leghe e composizioni uniche, mentre la mancanza di convezione fornisce ambienti quiescenti che possono rimuovere o ridurre al minimo i difetti.
La ricerca sui materiali in microgravità può anche rivelare meccanismi fondamentali nella cristallizzazione, solidificazione, formazione di reti e transizioni di fase che sono oscurati nella gravità terrestre. Una comprensione più profonda di questi meccanismi, ad esempio, ha contribuito allo sviluppo terrestre di superleghe migliorate, di prodotti stabilizzati a base colloidale e di migliori processi di fusione.
Inoltre, gli studi di microgravità sono fondamentali per molte applicazioni in relazione alla salute umana; ad esempio, gli studi sui fenomeni interfacciali prospettano buoni progressi per la prevenzione della contaminazione microbica degli alimenti e della corrosione influenzata da film microbiologici (o corrosione microbicamente indotta) dei materiali.
Materiali innovativi
Grazie alle analisi e alla sperimentazione in ambienti con microgravità è stato possibile dare vita a nuovi materiali industriali: vediamone alcuni esempi. Le strutture metallo-organiche (MOF) sono una nuova classe di materiali porosi costituiti da ioni metallici o cluster in coordinazione all'interno di un quadro di strutture organiche ripetute. Sono il prodotto di un processo misto che include la trasformazione chimica e la cristallizzazione.
Questi materiali possono essere difficili da produrre, ma sono potenzialmente utili per una varietà di applicazioni, incluso l'uso come catalizzatori nell'accelerazione delle trasformazioni chimiche o come componenti in sistemi ottici o in sistemi progettati per assorbire gas con elevata specificità ed efficienza.
I sistemi a cristalli misti come i MOF, che comportano sia una trasformazione chimica che una cristallizzazione, hanno il potenziale per avere un impatto su vari settori comprese le industrie chimiche, energetiche e di produzione di materiali. Lo spazio è vantaggioso per questa ricerca perché la microgravità migliora i risultati della cristallizzazione e perché la riduzione della sedimentazione e della galleggiabilità indotte dalla gravità aiuta a prevenire la stratificazione.
I progetti di ricerca in questo settore potrebbero anche rientrare nella categoria della crescita dei cristalli inorganici, che rappresenta un'opportunità per creare prodotti di grande valore utilizzando una ricca storia di esperienza nella coltivazione di cristalli nello spazio. Le superleghe sono sistemi di leghe metalliche costituiti da miscele che sarebbero di difficile se non impossibile preparazione in un ambiente a gravità ordinaria.
Le superleghe possono possedere proprietà uniche. I sistemi di lavorazione e fusione dei metalli di prossima generazione sulla ISS saranno in grado di raggiungere temperature più elevate rispetto all'attuale forno SUBSA già presente sulla stazione. Questi nuovi sistemi consentiranno la manipolazione di leghe che richiedono temperature più elevate e una lavorazione in orbita. In questo modo, si aprirà il campo alla metallurgia spaziale.
Infine, abbiamo i semiconduttori. La microgravità può consentire la produzione di sistemi thin-layer che faciliteranno la produzione di microprocessori di prossima generazione. La deposizione su strato sottile utilizzando il grafene, ad esempio, potrebbe non solo portare a migliori prestazioni dei semiconduttori, ma potrebbe anche aiutarci a comprendere gli effetti della convezione indotta dalla gravità sulla qualità della produzione di nanomateriali, fornendo un modello teorico per futuri miglioramenti a lungo termine nella produzione di nanomateriali.
La produzione industriale sbarca nello spazio: siamo pronti?
La produzione industriale sbarca nello spazio: quante volte avrete sentito queste parole? Oggi ve ne vogliamo parlare!
L'industria "5.0" guarda oltre l'orizzonte terrestre, puntando verso lo spazio periferico intorno al nostro pianeta.
Le nostre aziende sono sempre più energivore e più l'industria progredisce, più cresce la richiesta di energia. La produzione e il trasporto dei prodotti industriali sono settori più energivori.
Negli ultimi anni si è lavorato duramente per trovare una soluzione praticabile a questa crescente richiesta di energia (almeno finché non costruiremo una sfera di Dyson).
Diverse sono state le proposte: diminuire la produzione industriale; diminuire i costi dell'energia; aumentare i mezzi di produzione energetica con l'impiego di sistemi produttivi ecosostenibili; diminuire la quantità di energia richiesta.
Proprio in riferimento a quest'ultimo punto si è cercato di capire come sia possibile produrre le stesse quantità di prodotti industriali diminuendo quella di energia impiegata.
Nuove tecniche di produzione
La microgravità consente di produrre più facilmente materiali che sulla Terra sono di difficile produzione.
Portare la produzione industriale nello spazio potrebbe costituire una risorsa capace di rivoluzionare il nostro sistema produttivo nella sua complessità: potremmo quindi parlare di una nuova rivoluzione industriale.
Gli effetti della gravità diminuiscono con il quadrato della distanza dal centro della Terra e perciò a notevoli distanze dal nostro pianeta i suoi effetti sono sempre meno percepibili, ma non è in questo modo che possiamo ottenere un sistema a gravità zero effettivamente utilizzabile, perché il trasporto di materiali attraverso distanze planetarie sarebbe in ogni caso antieconomico.
Si può invece ottenere l'assenza di gravità in un veicolo in volo orbitale in condizioni tali che la forza centrifuga bilanci esattamente quella gravitazionale. Tutti gli astronauti hanno sperimentato la cosiddetta assenza di peso che, lungi dall'essere soltanto un divertente effetto quasi da luna park, può provocare alla lunga effetti biologici anche gravi.
In ogni caso, comunque, l'assenza di gravità permette esperimenti e potrà permettere in futuro anche produzioni industriali su scala ridotta che è difficile - se non impossibile - realizzare sulla terra.
Per rendersi conto degli effetti positivi della gravità ridotta va tenuto presente che, se in un ambiente a gravità zero è impossibile appoggiare un corpo su di un altro per la totale assenza di attrito radente, in un ambiente con bassa gravità trascinare due corpi che siano in contatto l'uno con l'altro tramite una superficie è certamente molto più facile, proprio perché l'attrito è minore e quindi il lavoro dissipato in calore è notevolmente ridotto.
Tra i vari benefici degli ambienti a microgravità, la rimozione della sedimentazione e della galleggiabilità consente la produzione di leghe e composizioni uniche, mentre la mancanza di convezione fornisce ambienti quiescenti che possono rimuovere o ridurre al minimo i difetti.
La ricerca sui materiali in microgravità può anche rivelare meccanismi fondamentali nella cristallizzazione, solidificazione, formazione di reti e transizioni di fase che sono oscurati nella gravità terrestre.
Una comprensione più profonda di questi meccanismi, ad esempio, ha contribuito allo sviluppo terrestre di superleghe migliorate, di prodotti stabilizzati a base colloidale e di migliori processi di fusione.
Inoltre, gli studi di microgravità sono fondamentali per molte applicazioni in relazione alla salute umana; ad esempio, gli studi sui fenomeni interfacciali prospettano buoni progressi per la prevenzione della contaminazione microbica degli alimenti e della corrosione influenzata da film microbiologici (o corrosione microbicamente indotta) dei materiali.
Materiali innovativi
Grazie alle analisi e alla sperimentazione in ambienti con microgravità è stato possibile dare vita a nuovi materiali industriali: vediamone alcuni esempi.
Le strutture metallo-organiche (MOF) sono una nuova classe di materiali porosi costituiti da ioni metallici o cluster in coordinazione all'interno di un quadro di strutture organiche ripetute. Sono il prodotto di un processo misto che include la trasformazione chimica e la cristallizzazione.
Questi materiali possono essere difficili da produrre, ma sono potenzialmente utili per una varietà di applicazioni, incluso l'uso come catalizzatori nell'accelerazione delle trasformazioni chimiche o come componenti in sistemi ottici o in sistemi progettati per assorbire gas con elevata specificità ed efficienza.
I sistemi a cristalli misti come i MOF, che comportano sia una trasformazione chimica che una cristallizzazione, hanno il potenziale per avere un impatto su vari settori comprese le industrie chimiche, energetiche e di produzione di materiali.
Lo spazio è vantaggioso per questa ricerca perché la microgravità migliora i risultati della cristallizzazione e perché la riduzione della sedimentazione e della galleggiabilità indotte dalla gravità aiuta a prevenire la stratificazione.
I progetti di ricerca in questo settore potrebbero anche rientrare nella categoria della crescita dei cristalli inorganici, che rappresenta un'opportunità per creare prodotti di grande valore utilizzando una ricca storia di esperienza nella coltivazione di cristalli nello spazio.
Le superleghe sono sistemi di leghe metalliche costituiti da miscele che sarebbero di difficile se non impossibile preparazione in un ambiente a gravità ordinaria.
Le superleghe possono possedere proprietà uniche. I sistemi di lavorazione e fusione dei metalli di prossima generazione sulla ISS saranno in grado di raggiungere temperature più elevate rispetto all'attuale forno SUBSA già presente sulla stazione.
Questi nuovi sistemi consentiranno la manipolazione di leghe che richiedono temperature più elevate e una lavorazione in orbita. In questo modo, si aprirà il campo alla metallurgia spaziale.
Infine, abbiamo i semiconduttori.
La microgravità può consentire la produzione di sistemi thin-layer che faciliteranno la produzione di microprocessori di prossima generazione. La deposizione su strato sottile utilizzando il grafene, ad esempio, potrebbe non solo portare a migliori prestazioni dei semiconduttori, ma potrebbe anche aiutarci a comprendere gli effetti della convezione indotta dalla gravità sulla qualità della produzione di nanomateriali, fornendo un modello teorico per futuri miglioramenti a lungo termine nella produzione di nanomateriali.
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