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Energia solare, nuove prospettive dalla fisica quantistica

Pubblicazione su Nature Scientific Reports a cura di ricercatori dell’Ateneo e del CNR

Un simulatore ottico sperimentale per ottimizzare il trasporto di energia, con un'efficienza quasi del 100%. Un apparato in fibra ottica, a basso costo e controllabile dall’esterno per ricostruire il processo naturale della fotosintesi e ipotizzare nuove tecnologie per l’energia solare. 

E’ il risultato raggiunto da un gruppo di ricercatori dell'Ateneo - Filippo Caruso e Stefano Gherardini, del Dipartimento di Fisica e Astronomia e del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia Non-Lineare (LENS) – e dell'Istituto Nazionale di Ottica (INO) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) - Silvia Viciani, Manuela Lima e Marco Bellini – di cui dà conto la rivista  Nature -Scientific Reports ("Disorder and dephasing as control knobs for light transport in optical fiber cavity networks", www.nature.com/articles/srep37791 , doi:10.1038/srep37791).

I risultati ottenuti dai ricercatori fiorentini prendono spunto da precedenti ricerche nell’ambito della biologia quantistica, in cui fenomeni come la fotosintesi, l'olfatto e il volo degli uccelli sono spiegabili attraverso l'azione combinata degli effetti quantistici del mondo infinitamente piccolo (come l’esplorazione di più cammini in parallelo ed effetti di interferenza) e del rumore di decoerenza (che induce la transizione dal mondo quantistico a quello classico), fenomeno tipico dell'interazione fra i sistemi quantistici e l'ambiente esterno.

“Anche se potrebbe risultare contro-intuitivo – spiega Filippo Caruso, coordinatore della ricerca -  l'inevitabile presenza di rumore (noise) ambientale può avere un effetto benefico nel trasporto. Infatti, proprio grazie al cosiddetto rumore di decoerenza, percorsi lenti ed inefficaci vengono soppressi mentre si attivano delle scorciatoie più veloci per raggiungere la destinazione finale. La disponibilità di tali simulatori permetterebbe anche di trovare le geometrie molecolari ottimali per il trasporto di energia a basso costo". Nella simulazione dei ricercatori il rumore (sia statico che dinamico) è stato controllato dall'esterno tramite semplici dispositivi elettronici, studiando vari regimi e determinando la massima efficienza di trasmissione.

Il  trasporto assistito da rumore ("Noise-assisted transport" nella letteratura) era stato osservato sperimentalmente per la prima volta proprio a Firenze dallo stesso gruppo di ricerca. "Utilizzando questi simulatori ottici e, soprattutto, prendendo spunto dalla natura, in particolar modo dal funzionamento proprio degli organismi naturali fotosintetici - concludono Silvia Viciani e Marco Bellini - si potranno quindi sviluppare nuove tecnologie più efficienti e sostenibili".

Lo studio è stato reso possibile dal contributo della Fondazione Cassa di Risparmio di Firenze, dai finanziamenti del Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca tramite bandi FIRB (Futuro in Ricerca) e dall'Unione Europea (progetti Marie-Curie Fellowship).

 

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Nella figura: un impulso di luce, proveniente da un laser, viene iniettato in una rete di fibre ottiche prima di raggiungere un rivelatore esterno, così simulando il trasporto di energia proveniente dal sole, assorbita da una antenna e trasmessa su una rete di cromofori prima di raggiungere il centro di reazione dove viene trasformata in energia chimica. Questo simulatore presenta due controlli esterni per manipolare il rumore statico (disorder) e dinamico (noise) con cui si ottimizza l'efficienza di trasmissione, sia per studiare la fotosintesi sia per simulare nuove geometrie molecolari ottimali per lo sfruttamento dell'energia solare.

03 Gennaio 2017