Finanziamenti mirati all'innovazione per la transizione energetica

Come nascono le innovazioni? Se lo sapessimo con precisione, le nuove tecnologie avrebbero successo come una catena di montaggio. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, il progresso tecnico non può essere pianificato o prende deviazioni sorprendenti. I diodi a emissione luminosa, o LED, ne sono un esempio particolarmente calzante.

Michael Weinold, ora dottorando presso il Laboratory for Energy Systems Analyses del PSI e presso l'omonima cattedra del Politecnico di Zurigo sotto la guida del professor Russell McKenna, ha studiato il rapido sviluppo dei LED nella sua tesi di Master all'Università di Cambridge e al Politecnico di Zurigo. Ha scoperto che gli effetti di spillover sono un fattore importante. "Spillover" significa qualcosa di simile a "spandere". I ricercatori usano questo termine per descrivere sviluppi o tecnologie che sono stati originariamente sviluppati per industrie o prodotti completamente diversi. Questo è particolarmente evidente nel caso dei LED, come dimostra Weinold nella sua pubblicazione. "Soprattutto, l'importante miglioramento della qualità della luce è in gran parte dovuto agli effetti di spillover", afferma Weinold.

La ricerca di Michael Weinold è stata condotta durante il periodo di visiting scientist presso il Cambridge Centre for Environment, Energy and Natural Resource Governance (C-EENRG) in collaborazione con Sergey Kolesnikov e Laura Diaz Anadon dell'Università di Cambridge. Il lavoro faceva parte di un più ampio progetto di ricerca finanziato dalla Fondazione Alfred P. Sloan presso l'Università di Cambridge, l'Università di Harvard e l'Università del Minnesota. L'obiettivo del progetto era capire come avviene l'innovazione nel sistema energetico e come può essere accelerata investendo nella ricerca di base per ridurre il consumo energetico e le emissioni delle nuove tecnologie.

Coincidenza e finanziamenti mirati

Per decenni i LED hanno avuto un'esistenza di nicchia come indicatori luminosi rossi negli apparecchi elettrici. Fino a quando, nel 1992, Shuji Nakamura e il suo team hanno sviluppato il primo LED blu, che oggi è la base dei LED bianchi e quindi dell'illuminazione generale. Per il loro lavoro, i ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2014. Da allora i costi di produzione, l'efficienza e soprattutto la qualità della luce sono stati rapidamente migliorati. La luce fredda dei LED degli inizi ha lasciato il posto a una luce piacevolmente calda, in cui il colore della luce può essere regolato a seconda delle esigenze.

Un esempio di effetto spillover per i LED è l'ossido di indio-stagno (ITO), un materiale che conduce l'elettricità ma è anche trasparente. Nell'aviazione, questo materiale è stato a lungo utilizzato sui finestrini delle cabine di pilotaggio per riscaldare i vetri e prevenire così la formazione di ghiaccio. Conduttivo e trasparente: anche gli sviluppatori di LED avevano bisogno di un materiale di questo tipo e l'ITO ha trovato rapidamente posto nei loro prodotti.

"Il bello di uno spillover è che è gratuito", dice Weinold, perché la tecnologia è già stata sviluppata e spesso può essere utilizzata direttamente in altri settori. Il caso spesso aiuta a creare uno spillover. I LED generano luce bianca convertendo la luce blu con un sottile strato di fosforo. Agli albori dei LED, tuttavia, erano disponibili solo materiali al fosforo che producevano una luce bianca fredda. È stato solo quando due professori si sono trovati a parlare a una conferenza che si è aperta la porta a una diffusione del fosforo. Da allora, i LED sono in grado di produrre anche una piacevole luce bianca calda.

Il problema: se non si vuole lasciare lo spillover al caso, i ricercatori devono sapere esattamente cosa stanno cercando. Se, ad esempio, gli effetti fisici fondamentali del diodo non sono ancora del tutto compresi, non è possibile cercare direttamente soluzioni per una maggiore efficienza.

Secondo Weinold, questo porta a una constatazione che dovrebbe essere di particolare interesse per i finanziamenti alla ricerca. Per accelerare lo sviluppo di nuove tecnologie attraverso gli effetti di spillover, la ricerca di base dovrebbe essere promossa in modo specifico. Idealmente in aree in cui gli effetti fisici o chimici non sono ancora pienamente compresi. Weinold spiega: "Una volta che i fondamenti di una nuova tecnologia sono stati adeguatamente studiati, le ricadute sono quasi inevitabili".

Il futuro dei LED

Sarà interessante vedere come proseguirà lo sviluppo dei LED - e se proseguirà del tutto. Nel suo lavoro, Weinold ha scoperto che quasi tutti i processi fisici che svolgono un ruolo nella generazione della luce nei LED si sono avvicinati alla loro massima efficienza teorica negli ultimi anni. È quindi possibile che lo sviluppo dei LED tradizionali rallenti notevolmente nei prossimi anni.

Il premio Nobel Shuji Nakamura sembra percepire questa situazione. Ha abbandonato lo sviluppo dei LED convenzionali e sta facendo ricerca sui LED laser, perché in questo campo ci si può ancora aspettare un notevole aumento dell'efficienza. Inoltre, grandi produttori come Osram e Philips si stanno concentrando sullo sviluppo di applicazioni speciali, come i micro LED per i display degli occhiali per la realtà virtuale. D'altra parte, esistono processi nei LED che raggiungono già un'efficienza superiore al 100% grazie agli effetti della meccanica quantistica. Non si escludono quindi ulteriori sorprese.

Promuovere le ricadute nel settore energetico con gli investimenti

Mentre il ricercatore del PSI Weinold si è concentrato sul lato dei consumatori con i LED, i suoi colleghi di Cambridge si sono occupati del lato dei produttori, ossia degli impianti fotovoltaici e delle batterie agli ioni di litio per l'accumulo di energia. Si sono verificati effetti di ricaduta in tutte e tre le tecnologie, anche se queste ultime hanno avuto la maggiore influenza sullo sviluppo dei LED.

Il progetto di ricerca dimostra: "La ricerca applicata e la ricerca di base non possono e non devono essere separate. Entrambe sono necessarie per la transizione energetica", afferma Michael Weinold. "Abbiamo dimostrato che Più denaro, utilizzato al posto giusto nella ricerca di base, promuove in modo impressionante l'innovazione e lo sviluppo economico".