Le modifiche molecolari possono aiutare l’alluminio a soddisfare la domanda di rame?

Questa storia è stata originariamente pubblicata da Wired e appare qui come parte della collaborazione di Climate Desk.

Consideriamo per un momento il filo elettrico, una tecnologia pervasiva estremamente facile da dimenticare. Avvolti nei nostri dispositivi, avvolti attorno alle nostre pareti, infilati lungo le nostre strade, milioni di tonnellate di sottili fili metallici svolgono il compito di elettrizzare il mondo. Ma il loro lavoro è benevolo e così naturalistico che non sembra affatto tecnologia. I fili muovono gli elettroni semplicemente perché è ciò che fanno i metalli quando ricevono corrente: conducono.

Ma c'è sempre spazio per miglioramenti. I metalli conducono l'elettricità perché contengono elettroni liberi che non sono legati a nessun atomo particolare. Più elettroni fluiscono e più velocemente vanno, migliore è la conduzione del metallo. Quindi, per migliorare quella conduttività – fondamentale per preservare l’energia prodotta in una centrale elettrica o immagazzinata all’interno di una batteria – gli scienziati dei materiali sono generalmente alla ricerca di disposizioni atomiche più perfette. Il loro obiettivo principale è la purezza: rimuovere eventuali frammenti di materiale estraneo o imperfezioni che interrompono il flusso. Più un pezzo d'oro è oro, più un filo di rame è rame, meglio condurrà. Qualsiasi altra cosa è solo d'intralcio.

"Se vuoi qualcosa di veramente altamente conduttivo, allora devi diventare puro", afferma Keerti Kappagantula, scienziato dei materiali presso il Pacific Northwest National Lab. Questo è il motivo per cui considera la sua ricerca piuttosto "traballante". Il suo obiettivo è rendere i metalli più conduttivi rendendoli meno puri. Prenderà un metallo come l'alluminio e vi aggiungerà additivi come il grafene o i nanotubi di carbonio, producendo una lega. Se lo si fa nel modo giusto, ha scoperto Kappagantula, il materiale extra può avere uno strano effetto: può spingere il metallo oltre il suo limite teorico di conduttività.

Il punto, in questo caso, è creare alluminio che possa competere con il rame nei dispositivi elettrici: un metallo che è quasi il doppio più conduttivo, ma costa anche circa il doppio. L'alluminio ha dei vantaggi: è molto più leggero del rame. Ed essendo il metallo più abbondante nella crosta terrestre – mille volte più del rame – è anche più economico e più facile da estrarre.

Il rame, d’altro canto, sta diventando sempre più difficile da reperire man mano che il mondo passa ad un’energia più verde. Sebbene sia da tempo onnipresente nei cablaggi e nei motori, la domanda è in aumento. Un veicolo elettrico utilizza circa quattro volte la quantità di rame di un’auto convenzionale, e una quantità ancora maggiore sarà necessaria per i componenti elettrici delle centrali rinnovabili e per i cavi che le collegano alla rete. Gli analisti di Wood Mackenzie, una società di ricerca focalizzata sull’energia, hanno stimato che i parchi eolici offshore richiederanno 5,5 megatoni di metallo in 10 anni, principalmente per l’enorme sistema di cavi all’interno dei generatori e per trasportare gli elettroni prodotti dalle turbine verso la riva. Negli ultimi anni, il prezzo del rame è aumentato vertiginosamente e gli analisti prevedono un crescente deficit del metallo. Goldman Sachs lo ha recentemente dichiarato “il nuovo petrolio”.

Alcune aziende lo stanno già sostituendo con l’alluminio, dove possibile. Negli ultimi anni si è verificato uno spostamento di miliardi di dollari nei componenti di qualsiasi cosa, dai condizionatori alle parti di automobili. Le linee elettriche ad alta tensione utilizzano già fili di alluminio, perché sono economici e leggeri, il che consente loro di essere tesi su lunghe distanze. L'alluminio è tipicamente nella sua forma più pura e altamente conduttiva.

Ma questa conversione ha recentemente subito un rallentamento, in parte perché lo scambio è già stato effettuato per le applicazioni in cui l’alluminio ha più senso, afferma Jonathan Barnes, uno dei principali analisti dei mercati del rame presso Wood Mackenzie. Per l'utilizzo in una gamma più ampia di applicazioni elettriche, la conduttività rappresenta il limite principale. Ecco perché ricercatori come Kappagantula stanno cercando di riprogettare il metallo.

Gli ingegneri solitamente progettano leghe per migliorare le altre qualità di un metallo, come resistenza o flessibilità. Ma queste miscele sono meno conduttive della sostanza pura. Anche se un particolare additivo è particolarmente efficace nel trasportare l’elettricità (come nel caso dei materiali a base di carbonio con cui lavora Kappagantula), gli elettroni all’interno della lega in genere hanno difficoltà a passare da un materiale all’altro. Le interfacce tra loro sono i punti critici.