Radiazioni di Fukushima

Sono passati mesi ormai dal disastro naturale (che poi ha portato a quello atomico) di Fukushima e sui giornali è difficile trovare ancora qualche riferimento a quegli episodi.
Però la scienza non si ferma e cominciano ad uscire i primi studi sul rilascio radioattivo conseguente; oggi commento questo pubblicato dall'ACPD, che ha riunito studiosi di Norvegia, Austria, Spagna e Stati Uniti. L'abstract non è facile da leggere, per cui consiglio a chi legge l'inglese di aprirsi il documento di discussione in pdf; per chi non mastica l'inglese (e si fida di me!), ne riassumo le conclusioni.
Il metodo usato dal gruppo di studio utilizza una modellazione inversa su un modello di trasporto (chiamato flexpart) che, secondo gli studiosi, è stato in grado di fornire un buon accordo, con le misure di deposito radioattivo in varie parti del mondo, tra cui anche l'Europa, nonostante le approssimazioni che sono state necessarie nell'elaborazione.
Per prima cosa, è da notare l'altissima emissione in atmosfera di Xe133, più del doppio di quella di Chernobyl, praticamente tutto il contenuto dei reattori 1-3; tale emissione è cominciata immediatamente dopo la fermata automatica dei reattori, dovuta al terremoto. Questo indica che già in quel momento le strutture erano talmente danneggiate da non essere più sigillate; l'arrivo dello tsunami ha "soltanto" peggiorato la situazione.
Per quanto riguarda il Cesio137 (Cs), risulta un'emissione totale di circa il 42% rispetto a Chernobyl, che comunque rappresenta il ragguardevole livello medio di 36 PBq e che corrisponde a circa il 2% dell'attività "disponibile" all'interno dei reattori 1-3 e 4. Cioè, ci è andata bene! Si notano forti incrementi dopo i vari scoppi, specialmente il primo, nel reattore 1.
Questo rilascio di attività all'esterno risulta quindi essere maggiore di quanto fornito dal governo giapponese e tale rilascio è continuato almeno fino a quando si è cominciato a gettare acqua sulla vasca del combustibile esausto del reattore 4: nonostante questo abbia generato il versamento di attività in mare, è stata comunque un'azione fruttuosa. L'emissione più alta di quanto affermato è in accordo con misure effettuate dall'Istituto Centrale di Meteorologia.
In generale, è stato detto che il vento sul Giappone ha sempre spinto la radioattività verso l'oceano, ma non è sempre stato così. Proprio nel momento di emissione massima di Cs, la nuvola radioattiva è stata spinta da una zona ciclonica sull'isola di Honshu, dove ha provocato forti precipitazioni, con conseguente deposito di Cs radioattivo sul terreno. Tuttavia avrebbe potuto andare peggio: infatti non ha piovuto mentre la parte più densa della nuvola passava su Tokio! Situazione simile, con forti piogge una settimana dopo, quando però l'attività emessa era minore, anche se ancora alta. In conclusione, almeno l'isola di Honshu ha ricevuto sul terreno molto Cs, con possibili effetti deleteri in futuro.
La nuvola si è poi dispersa rapidamente in tutto l'emisfero nord terrestre: il 15 marzo il Xeon ha raggiunto gli Stati Uniti, seguito dal Cesio attorno al 19 marzo; l'Europa è stata raggiunta il 22 marzo da una nuvola ricca di Xe, ma povera di Cs, nuvola transitata dal Nord Pacifico al Nord Atlantico con un fronte atmosferico, per finire poi sull'Europa del Nord. Concentrazioni un po' più alto di Cs hanno raggiunto l'Europa alla fine di Marzo. Per la metà di aprile, lo Xe era distribuito uniformemente alle latitudini intermedie su tutto l'emisfero settentrionale.
L'analisi quantitativa mostra che circa il 19% del materiale radioattivo si è depositato sul Giappone, mentre circa il 2% è finito su terreno negli altri paesi. Il restante (79%) è finito in mare.
Gli stessi autori fanno notare che lo studio non ha compreso lo Iodio131, anch'esso radioattivo.
Nella nota finale, viene detto che tutti i dati su cui si è basata la loro analisi non erano in teoria disponibili: sono stati raggiunti solo tramite conoscenze personali e ricerche apposite; per cui chiedono che tutte le organizzazione in possesso di dati li mettano a disposizione per raffinare le conclusioni.

Parliamo di nucleare - III: Le radiazioni

 

Detto semplicemente: la radiazione è il fenomeno secondo il quale una quantità di energia si trasmette in natura; la Fisica insegna che tale energia trasportata è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: più alta è l'energia, minore è la lunghezza d'onda. Esempi di radiazione sono, dalla bassa energia a quella alta: onde elettriche, onde radio, microonde, infrarossa (cioè calore), luce visibile (dal rosso al blu), ultravioletti, raggi x, raggi gamma.

La pericolosità dipende dall'energia totale: il calore (infrarossi) di un termosifone non ci spaventa, ma quello di un forno sì; la luce del sole è utile ma suoi ultravioletti ci possono ustionare; una radiografia aiuta a curarci, ma fare 10 TAC in un mese può provocare danni. Anche la densità di energia ha importanza: prendere il sole può renderci rossi come gamberi su tutto il corpo, ma raggi x concentrati in un punto possono distruggere le cellule. Inoltre, le radiazioni più energetiche, dall'ultravioletto lontano, ai raggi x e gamma, sono in grado di ionizzare le cellule, cioè cedere loro energia provocando la rottura dei legami cellulari.

Il tipo di radiazione che ci interessa in questo momento è quella a più alta energia e quella generata da particelle che costituiscono l'atomo ed il nucleo: elettroni (radiazione beta), nuclei (particelle alfa), raggi x e gamma (fotoni) e in generale particelle elementari (p.es. protoni e neutroni), cioè le radiazioni ionizzanti.

I fotoni sono energia allo stato puro: non hanno massa, ma viaggiano in "pacchetti" (in fisica, parlare di radiazioni o particelle è un po' la stessa cosa!): quando urtano un nucleo, possono cavarne fuori particelle e generare materiali instabili; se colpiscono materia organica possono semplicemente deviare traiettoria, ma anche cedere parte della loro energia (o tutta) alle cellule, che quindi possono "scottarsi": si va dal nessun effetto, alla morte della cellula, alla creazione di cellule tumorali alle modifiche delle informazioni nel DNA, provocando mutazioni genetiche (non sempre dannose, visto che si crede che in qualche modo abbiano generato la vita sulla Terra).

Una cosa simile vale per protoni, neutroni e nuclei, con la differenza che questi hanno massa: sono quindi proiettili, che possono essere frenati p.es. anche solo dalla pelle, ma per contro rilasciano tutta la loro energia in una zona piccolissima, con probabilità di creare grandi danni in quel punto; in più le particelle cariche (p.es. i protoni) interagiscono ulteriormente con le cellule proprio per la loro carica elettrica. Quindi, esporsi ad una sorgente di particelle alfa potrebbe creare al massimo un neo sulla pelle (se la dose non è troppo alta), ma se mangiamo verdura contenente le stesse particelle alfa, il danno viene creato all'interno del corpo, non protetto dalla pelle, con altissima probabilità di danni irreversibili a tutto l'apparato gastro-intestinale. Giusto per farsi un'idea, pensiamo ad una palla di biliardo lanciata su un gruppo di altre: dopo qualche urto si ferma (perde tutta la sua energia), ma le altre palline sono sparse per tutto il biliardo; se il gruppo iniziale fosse un nucleo, alla fine lo stesso nucleo è sparpargliato ovunque!

C'è ancora un effetto di cui tenere conto: se spariamo una palla di cannone contro una mosca, sarà molto probabile che la mosca ne esca indenne, anche se sarà certamente colpita; se invece sparassimo uno spillo, sarebbe molto difficile colpire la mosca di prima, ma se dovesse succedere, non avrebbe scampo. È un esempio un po' ridicolo per spiegare un principio fondamentale: una radiazione a grande lunghezza d'onda (p.es. le onde radio) interagisce certamente con il corpo umano, ma non potrà generare effetti, se non un po' di riscaldamento: l'onda non vede la nostra struttura interna, due cellule vicine saranno sollecitate allo stesso modo: è come guardare una persona ad occhio nudo, ne vediamo le forme ma non la struttura. Se invece un uomo è bersaglio p.es. di un neutrone (o di raggi x, ecc...), la loro lunghezza d'onda è piccolissima, quindi vedono e interagiscono con la struttura interna: il protone urta non contro l'intero corpo ma contro un singolo nucleo e può dare energia (spostarlo, cambiarne lo stato, ecc...) solo a lui. Ecco perché dai raggi x in su c'è rischio di danni interni a livello nucleare, mentre un forno (infrarossi) può al massimo ustionare (danno generale esterno).

Riassumendo: raggi x e raggi gamma sono pericolosi per la loro alta energia che può essere passata alle cellule, sia per esposizione esterna che interna, per le quali non c'è differenza: i raggi x e gamma passano tranquillamente attraverso il corpo, solo alcuni vengono assorbiti (e sono quelli dannosi).

Le radiazioni beta e alfa, invece creano pochi danni se la sorgente è esterna (sempre per dosi basse), mentre rappresentano un disastro se mangiate. Discorso a parte per i neutroni, la cui pericolosità dipende dalla loro energia (ma sono comunque più dannosi dei raggi x).

Prossima puntata: come misurare le radiazioni?

 

Funivie da città

Siamo tutti d'accordo che per diminuire l'inquinamento nelle città dovremmo muoverci usando soltanto i mezzi pubblici; tuttavia sappiamo bene che questo significa stivarsi su treni o autobus strapieni e che si fermano anche quando a noi non serve e magari sono spesso in ritardo e comunque disponibili solo in certe ore.

Il disegnatore Dave Owsen ha allora pensato ad un sistema completamente diverso, di cui trovate uno schizzo a questo link di Wired; ovviamente si tratta solo di un disegno perché al momento non c'è la tecnologia per farlo diventare una realtà, ma magari nel prossimo futuro…

Immaginate una sorta di ovovia, tipo quelle di montagna, dove ogni cabina può contenere non più di 4 persone; dato che c'è un "uovo" ogni pochi metri, non ci sono orari da rispettare. Sono previste delle fermate, ma a "uovo singolo": cioé gli occupanti scelgono la fermata voluta e la cabina non si ferma finché non la raggiunge; in quel momento, la cabina si abbassa utilizzando una sorta di "scambio" fino ad arrivare a livello marciapiede e lì si ferma, mentre le altre che non devono fermarsi proseguono tranquillamente. Essendo tutto gestito da un computer, è semplice far tornare nel circolo la cabina, non appena questa si svuota. Naturalmente ogni cabina viene occupata solo dalle persone che hanno la stessa destinazione, così si fermerà solo là.

L'interno di ogni cabina dovrebbe essere confortevole, permettendo anche la privacy che si ha in automobile; gli ampi finestrini sono costruiti usando pannelli solari semi-trasparenti, che lasciano libera la visione verso l'esterno e allo stesso momento ricuperano energia dal sole.

Inoltre, il sistema può anche essere usato per spedire pacchi, lettere e altro, dato che in pratica non è necessario un autista; l'ideale, p.es. per comunicazioni di piccoli oggetti all'interno della stessa città.

Diciamolo, l'idea non dispiace: sarebbe come avere un'auto che va da sola e per funzionare ha bisogno di poco e quel poco lo prende da una fonte gratuita.

C'è solo da sperare che queste idee ne facciano nascere delle altre, fino ad arrivare alla realtà

Centrali nucleari americane

Per circa un anno, circa 400 tra operai e progettisti hanno lavorato vicino alla cittadina di Ardacia, in Florida, per costruire quella che al momento è la più grande centrale ad energia foto-voltaica americana e alla fine del mese l'impianto dovrebbe entrare in funzione, avvenimento che sarà sottolineato dalla visita del presidente Obama.

Il sistema copre circa 70 ettari di terreno e fornirà una potenza attorno ai 25 MW; assieme ad altri due progetti dello stesso stato americano, porterà a circa 110 MW l'energia rinnovabile della Florida. Rispetto alla richiesta attuale di energia, queste cifre sono piccole, ma corrispondono comunque all'eliminazione di più di 3 tonnellate all'anno di gas responsabili dell'effetto serra, una quantità pur sempre ragguardevole.

Il progetto è costato 150 milioni di dollari e potrà servire circa 3000 utenze. Quindi al momento il costo di un progetto fotovoltaico è un po' meno di 3 volte di quello di una centrale nucleare della stessa potenza; d'altra parte, nel caso nucleare si deve tener conto del costo di smaltimento delle scorie. È prevedibile che con la conoscenza e gli investimenti, i costi delle fotovoltaiche debbano diminuire, come succede per tutte le fonti energetiche.

Per i costi di esercizio invece, non c'è storia: il costo dell'Uranio (che si esaurirà probabilmente nei prossimi 50 anni), quello del trattamento delle scorie e quello legato al personale necessario per il funzionamento e controllo sono di ordini di grandezza più alti della manutenzione di una centrale solare.

Il governo americano negli ultimi anni ha dato un forte impulso alle energie rinnovabile e in particolare quella foto-voltaica, pensando anche allo sviluppo economico del futuro. Infatti, in Europa Spagna e Germania stanno spingendo questo tipo di energia in modo particolarmente aggressivo ed anche la Cina ha presentato un programma energetico fortemente solarizzato, tra cui una centrale da 2GW!!. Gli Stati Uniti potrebbero quindi rischiare di dover comprare la tecnologia dei pannelli foto-voltaici all'estero, se non stessero correndo ai ripari e guadagnando know-how. È recente l'annuncio della costruzione di una centrale da 48MW nel Nevada.

Se ricordiamo che la prima centrale nucleare sperimentale forniva 5MW di potenza e la prima di tipo commerciale arrivava a 50MW, possiamo pensare che anche in questo caso le future novità tecnologiche ci forniranno altri appigli per aumentare il peso delle fonti rinnovabili. D'altra parte, il nucleare ha raggiunto un picco di potenza (e numero di centrali) tra gli anni '70 e '80, per diminuire nel seguito (i 2/3 dei progetti dagli anni '90 in poi sono stati cancellati a causa dei costi e dei tempi).

Nuovo carburante per auto a Idrogeno

Una ricercatrice dell'Università dell'Ohio ha dichiarato di poter rendere molto economiche le auto a Idrogeno.
Ricordiamo infatti che tale fonte di energia per le auto è già una realtà, ma al momento la cosa è poco fattibile: praticamente nessun distributore, pericoli di esplosioni e soprattutto l'alto costo di creazione di grandi quantità di Idrogeno, ottenuto dall'acqua (e poi nemmeno l'acqua è inesauribile e non la si può trovare ovunque); insomma, creare l'idrogeno richiede un'altra fonte di energia per nulla trascurabile.
La ricercatrice Garardine Botte afferma di poter facilmente estrarre Idrogeno dall'urina. Avete capito bene: potremo utilizzare una delle maggiori sorgenti di rifiuti (la rivista Wired riassume dicendo: "si potrà riempire il serbatoio svuotandone un altro"...)
Il sistema di elettrolisi inventato è infatti in grado di ottenere Idrogeno dall'urea (NH2)2CO, il maggior componente dell'urina, utilizzando un bassissimo voltaggio (0.27 V), minore di quello necessario per l'elettrolisi dell'acqua (1.23V), per ottenere il quale una comune batteria a 1.5V sarebbe persino esagerata. 25 km/l
L'urea si scoglie facilmente in acqua (ovvio, direte voi!); in questo modo diventa molto facile trasportarla: basta metterla nel serbatoio e la ricercatrice afferma che con un po' di studio si può arrivare ad un consumo (di urina) attorno ai 20-25 km/litro: meglio che con la benzina. I problemi tecnologici non sono grandi, tanto da farle dire che il processo di messa in produzione del dispositivo potrebbe non richiedere più di un anno.
Al momento, la cella di elettrolisi è piuttosto piccola, potendo al momento fornire non più di 500 mW. Il team sta lavorando per migliorare la chimica del procedimento, poi si potrà passare all'ingegnerizzazione del processo di funzionamento, che inoltre è già stato brevettato. Il sistema dovrà essere alimentato da una batteria, ma si pensa già di utilizzare un pannello solare, che potrebbe aumentare del 40% l'efficienza del tutto (basta qualcosa di già esistente, come il pannello della Toyota Prius).
Anche se ciascuno di noi potrebbe quindi "fare il pieno" da solo, suppongo ci sia da esaminare l'effetto di eventuali componenti dell'urina che potrebbero diminuire l'efficenza di trasformazione dell'urea in idrogeno; inoltre, diciamolo: non è semplice riempire un serbatoio in quel modo. Dovremo supporre un nuovo lavoro? C'è da dire che in ogni caso il trasporto di questo nuovo carburante non sarebbe per nulla pericoloso: non esploderebbe mai; solo, la puzza di benzina sarebbe sostituita da un'altra, probabilmente meno bella ma forse più normale...

Fonte: Wired

Impariamo... dalle formiche

Non voglio parlare della famosa formica della storiella, che lavorando tutta l'estate riesce a sopravvivere durante l'inverno; si tratta invece di formiche vere.
Conosciamo tutti il frenetico andirivieni delle formiche: il fatto è che sembra proprio che non sia così frenetico come appare! Nessuno infatti ha mai osservato un ingorgo, anche quando esiste un flusso in entrambe le direzioni ed il percorso obbligato permette il passaggio di una sola formica per volta.
Le formiche che portano cibo hanno la precedenza, ma non solo. Anche se queste sono ovviamente più lente, nessuna di quelle scariche tenta un sorpasso, ma si tengono ordinatamente dietro alla formica lenta; la situazione è la stessa di quando ci troviamo dietro ad un TIR in una strada trafficata: certamente cercheremmo il modo di sorpassarlo.
Invece le formiche ci insegnano che tutti questi sforzi sono inutili: infatti è stato calcolato che la differenza nel tempo di percorrenza medio tra un traffico con possibilità di sorpasso ed uno senza tale possibilità su un percorso fisso (nell'esperimento si trattava di una lunghezza di 3 metri) è di 32 secondi: ma a favore del comportamento senza sorpasso! Cioè: se non si sorpassa la formica lenta, il tempo di percorrenza è più breve! Nel caso con sorpasso, solo alcune auto impiegheranno meno tempo: la maggioranza sarà più lenta.
Secondo lo studioso di traffico A.Schadschneider, il fattore dominante del traffico di umani è l'egoismo: infatti i guidatori cercano di ottimizzare il proprio tempo di viaggio, senza pensare agli altri. Questo porta a ingorghi che non hanno alcun motivo apparente e che allungano considerevolmente il tempo necessario. Le formiche invece non sono egoiste e in qualche modo badano che tutte possano ottimizzare il loro tempo; il risultato è che la media dei tempi di percorrenza di tutte è molto più bassa.
Detto in altro modo, seguendo la teoria dell'ottimizzazione, nel traffico umano si bada all'ottimizzazione del singolo, mentre in quello delle formiche si segue quella del sistema, che può essere significativamente diversa e produce modi di comportamento diversi.
Viene spontaneo chiedersi come possano molti individui prendere decisioni che migliorano il comportamento di tutta la colonia: le formiche si basano su aggiornamenti continui sul traffico forniti dal contatto fisico e dalle tracce di ferormoni; il fatto divertente è che, mentre riusciamo a comprendere il meccanismo dei ferormoni, quello basato sul contatto fisico non è chiaro. Sappiamo infatti che l'incontro tra formiche che entrano ed escono è importante (avrete certo notato che spesso due formiche che provengono da direzioni opposte si fermano per toccarsi, per poi riprendere il loro cammino), perchè non solo gestiscono il traffico ma anche il flusso delle informazioni, ma non sappiamo come questo avviene.
Potrebbe sembrare qualcosa senza importanza, ma non è così: infatti uno dei tentativi di gestione del traffico consiste nell'installare un sistema di comunicazioni tra auto e con alcune basi fisse: il risultato non è per ora esaltante, chiaro indizio della complessità della cosa. Un esempio più semplice è il passaggio delle informazioni sulla velocità delle auto che precedono, dove in caso di rallentamenti il sistema può frenare il veicolo ben prima che il guidatore si accorga della necessità.
Con l'aumento della potenza dei computer, forse un simile compito sarà facilmente raggiunto, ma il punto più difficile sarà convincere noi che una simile gestione del traffico (in pratica senza guidatore umano) porterebbe vantaggi per tutti: infatti significherebbe porre un limite massimo alla velocità, cosa che sappiamo essere non ben accetta da tutti...

Un blog tutto verde

Da un lato, oggi è di moda parlare di ecologia, ma dall'altro sappiamo quanto non sia semplice vivere in modo sostenibile. Esempio? Quanto costano le auto a basso inquinamento? Oppure: ci ricordiamo sempre di spegnere le luci inutili in casa? Quanta acqua consumiamo in un giorno? Quanti di noi hanno deciso di mettere i pannelli solari sul tetto, sobbarcandosi delle spese necessarie? Per non parlare di una parte di computer, con il loro bravo alimentatore da 1kW, che fa praticamente da termosifone anche d'estate.
Su questo blog sono ogni tanto apparse delle annotazioni, novità ed altro su energie alternative, automobili ecologiche, ma indubbiamente non è focalizzato su questi argomenti.
Se siete interessati all'ecologia, allora non fatevi scappare questo blog: oneGreenTeck, ospitato da OneBlog, si propone come un punto di aggiornamento sulle tecnologie e comportamenti sostenibili. Sono molti gli autori che vi scrivono e mi pare anche che non ci sia spazio per estremismi, che spesso si trovano nella rete.
Buona lettura!

Nucleare

- Prezzo dell'Uranio: aumentato di 6 volte negli ultimi 5 anni, dovuto alla produzione che diminuisce per carenza di materia prima; destinato a scarseggiare entro 30-40 anni.
- USA: asta per la costruzione di nuove centrali nucleari andata deserta; assegnata dopo l'introduzione di incentivi, pari a quelli impegnati per le centrali eoliche. Ultima centrale costruita: 1979.
- Copertura del nucleare francese nella produzione nazionale: 20%, sostenuta dal governo per mantenere le armi nucleari.
- Come ogni altra centrale di energia, anche quella nucleare ha una sicurezza basata su probabilità di incidente; solo i danni sono diversi.
- Quarta generazione: basata sul Torio, nessuna reazione a catena, nessuna produzione di Plutonio, potrebbe anche utilizzare le scorie delle attuali centrali. Non siamo a livello industriale, solo prototipi. Questa tipologia potrebbe essere utile tra un po' di anni.
- Secondo uno studio USA, confermato da uno tedesco, il costo del kW nucleare andrà presto a costare il doppio rispetto alla media delle energie.
- Secondo Enel e Edison, la prima centrale nucleare del nuovo corso italiano sarà accesa nel 2020: 2 anni per le nuove leggi e regolamenti, 2 per le autorizzazioni, 4 per la costruzione e 1 per ritardi (in Finlandia sono in ritardo di 2 anni). Purtroppo sono centrali di terza generazione. Saranno vecchie tra 20-30 anni, cioé dopo 10 anni dall'accensione.
- 600 ricercatori italiani (energiaperil futuro.it) affermano che occorre iniziare al più presto la transizione dai combustibili fossili ad altre fonti (in modo da fare il passaggio in modo graduale); che il nucleare non è consigliato per gli enormi costi, per le scorie e per i problemi legati al terrorismo.
- Il direttore dell'IEA afferma: "Le sfide sull'energia sono così critiche che i progressi nella creazione e fornitura sono troppo lenti per evitare danni irreversibili al clima. Solo una rivoluzione del settore può riportarci sulla retta via".

- Lo scorso governo, prima di cadere, aveva affidato al Nobel Rubbia il compito di promuovere le energie rinnovabili, in particolare il solare a concentrazione, di cui lo stesso Rubbia ha progettato un prototipo per la Spagna.
- Un quadrato di specchi, posto in un deserto, con 200 km di lato (meno dell'1% della superficie dei deserti terrestri) fornirebbe l'energia necessaria a tutta la Terra.

- Il neo ministro allo Sviluppo Economico ha affermato che "solo gli impianti nucleari...
...producono energia su larga scala (quasi vero, ma non solo);
...in modo sicuro (lo sarebbe per la quarta generazione);
...a costi competitivi (falso);
...nel rispetto dell'ambiente (ok per l'effetto serra, no in generale).

Sondaggio di qualche mese fa: solo il 38% degli italiani è favorevole ad un ritorno del nucleare; il 6% non ha opinioni in merito (?), il 56% è contrario. Inoltre il 70% è contrario ad avere una centrale nucleare vicino alla propria residenza. Insomma, gli italiani non vogliono il nucleare e tanto meno se sono dietro casa. Mi piacerebbe parlare con chi le vorrebbe ma non a casa propria...

Per tutti questi motivi, siamo sicuri di voler andare avanti su questi progetti?

Quantum Computing

Parole misteriose, se ne parla da un po'. Vediamo di capire di cosa si tratta; è solo una piccola introduzione: chi è interessato può utilizzare i link forniti.
Intanto notiamo che nei passati decenni le CPU sono andate nella direzione di inglobare sempre più cose al loro interno: dai pochi byte di registri interni alle attuali cache e decine di registri. Il tutto rientra nel principio di ridurre il più possibile le dimensioni, per aumentare la velocità. La prossima generazione di processori avrà una scala ancora minore, ma prima o poi verrà raggiunto un limite tecnologico, oltre il quale non si potrà andare; già oggi vengono costruiti componenti inferiori al micron e magari arriveremo a progettarne di quelli composti da pochi atomi.
A quel punto, però il modello di natura che conosciamo non funziona più: come sappiamo, infatti, il molto piccolo si presenta secondo i modelli dalla meccanica quantistica. E come effetto collaterale, oltre al prevedibile aumento di velocità, ci troveremo ad avere delle logiche completamente diverse, basate appunto sulla natura quantistica. Nascerà (anzi, è già nata) una teoria dell'informazione quantistica, che sposa l'Informatica con la Fisica Quantistica. L'introduzione a livello tecnologico dei nuovi principi dovrebbe portare ad una sorta di rivoluzione, la prima dell'informatica: in effetti, i suoi principi sono finora sempre stati gli stessi della partenza, con progressi solo sulla velocità e sulle dimensioni.

Sappiamo che i computer utilizzano da sempre una rappresentazione binaria della realtà, in cui ogni grandezza può prendere uno solo dei valori 0 e 1, oppure vero e falso, aperto e chiuso. Dal punto di vista tecnologico, di solito i due livelli si differenziano per una tensione (volt), ma si possono utilizzare anche altri metodi: carica elettrica su un condensatore, polarizzazione destra o sinistra, ecc... Ma quando entriamo nella Meccanica Quantistica, si scopre che se un sistema può esistere in 2 stati, allora può esistere anche in una molteplicità di altri stati ottenuti come sovrapposizione dei 2 di partenza. Questi stati sono piuttosto strani, certamente non intuitivi: non sono direttamente visibili (misurabili) poiché non appena si fa una misura per vedere in che stato è il sistema, troveremo sempre e soltanto uno dei due di partenza. Tutto come se l'operazione della misura influenzasse il sistema e lo facesse cadere su uno dei stati normali.
L'applicazione di questo principio a sistemi macroscopici porta a dei paradossi, ma per spiegare il concetto, anche se non corretto, può bastare il seguente esempio: supponiamo di aver pescato una pallina da un sacchetto contenente palline bianche e nere in ugual numero, senza guardarne il colore e mettiamola in una scatola, che chiudiamo. Finché non la apriamo, non potremo dire con sicurezza di che colore è la pallina; al massimo, diremo di avere il 50% delle probabilità che sia bianca, ma anche che sia nera. Secondo la Fisica Quantistica, il sistema "pallina pescata dal sacchetto e messa nella scatola" si trova allora in uno stato ibrido, composto per il 50% dal colore bianco e per il 50% dal nero. Ora facciamo una misura, cioé apriamo la scatola per vedere il colore della pallina: non la vedremo grigia, ma soltanto bianca o nera. La misura ha distrutto lo stato ibrido e fatto cadere il sistema in uno dei 2 stati noti.
Qualcuno potrebbe chiedere che senso ha introdurre uno stato ibrido se non posso misurarlo; la risposta è che ci sono esperimenti (non sulle palline, eh!) che mostrano come i fotoni, elettroni e simili, interagiscono con l'ambiente proprio come fossero in questo stato ibrido; la probabilità finale del risultato di una misura deve tener conto che la "pallina quantistica" ha in sé tutti gli stati che gli sarebbero permessi, anche se la misura ne mostra solo uno .
Se indichiamo con |i> questo stato ibrido, mentre |b> è la pallina bianca e |n> la nera, si usa dire che:
|i> = x |a> + y |b>
dove x e y sono numeri legati alle probabilità di trovare la bianca o la nera.

Passando all'informatica, consideriamo un bit: i possibili valori sono [0, 1] ma solo uno dei due è registrato. Nel caso quantistico, un qubit (equivalente quantistico del bit) in generale avrà un valore ibrido, sovrapposizione di 0 e 1. Cioé un qubit conterrà entrambi i valori! Allo stesso modo, mentre un registro a 3 bit può tenere un solo numero nell'intervallo 0-7, un registro a 3 qubit potrà tenere tutti gli 8 numeri! In generale, N qubit possono contenere 2^N numeri, come sovrapposizione dei possibili stati! Un esempio che si trova ripetutamente in rete dice che un registro a 200 qbit (idealmente composto da 200 atomi) invece di un numero solo, potrebbe conservare tanti numeri quanti sono gli atomi dell'universo... :-)
Appena avviene la lettura, nel qbit si trova solo uno dei possibili numeri; ma se noi questa lettura non la facciamo? Allora il computer quantistico può effettuare calcoli usando tutti i possibili numeri, nello stesso momento! Come risultato avremo ancora uno stato ibrido: avremo ottenuto un calcolo in parallelo nel tempo che richiede una singola operazione, come se avessimo 2^N processori.

Naturalmente, le regole quantistiche ci dicono che, al momento della misura, il valore sarà quello atteso ma con una certa probabilità! In altre parole, la nuova Informatica Quantistica deve progettare delle procedure che portino la probabilità del risultato corretto vicina al 100%, altrimenti potremmo ottenere anche risultati errati!

Un esempio pratico. Gli ordinamenti di una lista sono tra le operazioni più dispendiose, dovendo in media leggere almeno metà degli elementi della lista, ma un computer quantistico può ottenere tutta la lista con un solo accesso alla memoria; è stato dimostrato che su una lista di 1 milione di elementi, si arriva ad un risultato con probabilità 50% con solo 1000 operazioni.
Si prevede che l'applicazione migliore del Quantum Computing sia nei casi in cui i dati vengono generati da un algoritmo: in un software di scacchi: in una singola operazione sarebbe possibile esaminare moltissime varianti. Come rimarcato in alcune pubblicazioni de Le Scienze (purtroppo non ricordo il titolo), computer del genere sarebbero in grado di decifrare qualsiasi algoritmo di criptazione: una chiave a 256 bit verrebbe superata in una decina di minuti! Naturalmente, si sta sviluppando un nuovo tipo di crittografia (quantum cryptography) con lo scopo di far ridiventare possibile la trasmissione sicura; per esempio creando stati quantistici in grado di generare sequenze casuali identiche, sapendo che se uno stato arriva a destinazione in un certo modo, non è stato certamente intercettato.

Se la teoria sta avanzando speditamente, non così la tecnologia necessaria: nella meccanica quantistica è facile interagire con l'ambiente e quindi perdere coerenza, cioé influenzare il sistema, generando errori. La quantum error correction ha lo scopo di ridurre le interferenze spurie, portando a computer che possono sopportare un
certo livello di errore. Nei laboratori IBM è stato realizzato un computer a 7 qubit, utilizzato per scomporre in fattori primi il numero 15. Sembra nulla, ma il passo è importante.

Se siete interessati, potete esaminare il sito Qubit oppure Quantum Computing FAQ ed anche l'ottima Introduzione, da cui ho tratto spunto per questo post.

Locomozione ad alghe!

In un futuro nemmeno troppo distante, il petrolio potrebbe essere sostituito da... alghe! Cioé: non arriveremo a mettere vegetali nel serbatoio dell'auto, questo no, ma ci metteremo dell'idrogeno prodotto da piante unicellulari.

Che alcune specie, in certe condizioni (privandole di zolfo) smettessero di emettere il normale ossigeno e cominciassero a liberare idrogeno era un fatto noto; però il tutto mostrava un'efficienza che non superava lo 0,1%. Solo negli ultimi 10 anni sono stati avviati studi su come incrementare tale rendimento.

In particolare, gli scienziati del Laboratorio Nazionale delle Argonne hanno trovato il modo di portare tale efficienza fino al 15%, tramite alcune modifiche genetiche e l'introduzione del Rame; ora si tratta di inserire l'enzima così creato nella struttura della fotosintesi, cosa che non sembra avere grossi problemi di esecuzione.

In confronto, la produzione di etanolo dai cereali (un altro bio-combustibile di cui abbiamo parlato tempo fa) è molto meno efficiente. Inoltre, l'uso di piante usate normalmente come cibo richiede la presenza di grandi coltivazioni solo per uso energetico, da sottrarre alla produzione normale. Invece, queste alghe non hanno richieste analoghe: possono essere coltivate su terre altrimenti non utilizzate, per esempio nei deserti; potrebbero anche crescere in contenitori chiusi portatili e tenuti sui tetti!

È stato calcolato (link) che per rifornire gli Stati Uniti, siano necessari 25.000 chilometri quadrati di coltivazione, situati in terre inutilizzate; anche se sembrano tanti, si tratterebbe di circa un decimo di quel che bisognerebbe dedicare alla soia (in più delle coltivazioni dedicate al cibo!).

La cosa è ancora più importante se consideriamo che per ora l'unico modo efficiente per produrre idrogeno è... usando il petrolio! Le celle fotovoltaiche non sembrano per ora sufficienti. In questo modo, invece, avremmo una fonte sia rinnovabile che attiva in ogni momento della giornata.

I sogni son desideri....?

Seguendo l'esempio di alcune banche dati americane, anche in Italia stanno sorgendo database che raccolgono... sogni!
In pratica si tratta di registrare i sogni dei soggetti sotto studio, tenendoli per eventuali analisi, tra le prime e più immediate quelle di frequenza. Infatti, mentre l'interpretazione possibile di un sogno è molto legata al soggetto e alle situazioni individuali, sembra invece che certi tipi di sogno siano comuni a tutto il genere umano, cioé certi temi ricorrono nei sogni di quasi tutte le persone. Questo potrebbe essere un effetto casuale: dopo tutto un abitante della Terra avrà una base di sentimenti, ansie, paure che condivide con gli altri e che riversa nei propri sogni, considerati come specchi delle situazioni reali.
Questa la spiegazione più semplice; però, almeno in teoria, questa comunanza di temi potrebbe nascondere qualcosa per ora sconosciuto: la costruzione di un database è il primo passo per verificare se il fatto esiste o se è solo una manifestazione del caso.
Se siete curiosi, uno dei database è dell'Università di Cassino, mentre un altro è dell'Osservatorio Permanente del Sogno.

Alcuni esempi di temi ricorrenti? Volare, precipitare nel vuoto, avere a che fare con un mostro o con un animale che tocca le nostre paure (serpenti, insetti...) e che magari ci assale, trovarsi senza scarpe o nudi in mezzo alla folla, essere ad un esame. Vi siete riconosciuti in qualcuno?
In ogni caso, attenzione alle interpretazioni, che sono sempre strettamente personali e legate al momento: da questi database non uscirà una nuova edizione della Smorfia!
Se però si troveranno interpretazioni comuni di schemi simili, beh, allora potrebbero cominciare le sorprese: potrebbe saltar fuori un imprevisto sotto-strato comune a tutti! Niente previsione del futuro, ma forse migliore comprensione del presente!