Una grande fonte di energia rinnovabile: l’energia umana

Qualsiasi animale, compresi gli esseri umani, è una macchina che trasforma la materia del cibo e genera energia. La fonte di energia è costituita dalle molecole organiche, composte di carbonio, idrogeno e ossigeno, presenti nei nostri alimenti: carbonio e idrogeno bruciano con l’ossigeno dell’aria introdotto con la respirazione, e liberano energia. Il cibo ingerito ogni giorni da una persona media “contiene” circa 2500-3000 chilocalorie di energia in parte impiegata per tenere in moto le “pompe” biologiche che fanno circolare il sangue nel corpo e in parte trasformata nell’energia meccanica del lavoro muscolare.

Un lavoro muscolare oggi spesso sostituito da altri mezzi

Per millenni il lavoro muscolare degli schiavi o degli operai ha azionato le macchine, ha sollevato e spostato pesi; i primi economisti hanno riconosciuto che il valore di una merce poteva essere misurato sulla base del lavoro umano necessario per produrla. Oggi la maggior parte dell’energia viene dal petrolio o dal carbone e il contributo “economico” dell’energia muscolare umana è relativamente secondario: eppure ogni volta che alziamo un piede o un braccio o che teniamo in mano il giornale o la penna, quando teniamo stretto il volante dell’automobile, o camminiamo, lo facciamo a spese di una frazione dell’energia meccanica del nostro corpo.

Idee per produrre elettricità “umana”

La quantità di energia meccanica del lavoro umano è grande; se si guardano le piramidi o i monumenti dell’antichità si resta sbalorditi pensando che sono stati edificati con il lavoro muscolare umano. L’energia del lavoro muscolare si può stimare, come grossolana approssimazione, per ogni persona, di circa 250 chilowattore all’anno, più o meno un decimo dell’energia elettrica che la stessa persona utilizza nella vita quotidiana. Il lavoro muscolare di tutti gli abitanti della Terra corrisponde a circa un terzo del consumo mondiale di elettricità.

La maggior parte dell’energia muscolare umana serve per muoversi e compiere vari gesti quotidiani ma è sostanzialmente “perduta”, dal punto di vista economico, pur trattandosi di energia rinnovabile in quanto deriva dalla combustione del cibo, a sua volta prodotto, direttamente o indirettamente, dal Sole nei campi. Ecco che comincia a circolare qualche idea di utilizzare l’energia umana per produrre elettricità: pensate alla prospettiva di recuperare come elettricità una parte dell’energia dissipata nelle palestre per dimagrire! In alcune prigioni americane è stata offerta ai detenuti la possibilità di occupare qualche ora del giorno pedalando su una bicicletta fissa, con le ruote collegate ad una dinamo, in cambio di qualche piccolo vantaggio come compenso per l’elettricità prodotta.

L’effetto piezoelettrico

Ma ci sarebbero altre soluzioni: l’energia muscolare del passo di una persona si traduce in una pressione sulla strada o sul pavimento. L’energia dissipata dall’agitarsi dei frequentatori di una discoteca corrisponde ad una potenza di circa 20 watt per persona, a molti chilowattore per notte con cui si potrebbero alimentare lampade e altoparlanti. Per recuperare una parte di tale energia una discoteca di Rotterdam ha inserito nel pavimento delle piastrelle leggermente oscillanti; il movimento dovuto alla pressione dei passi dei ballerini è trasferito, mediante molle e ingranaggi, ad una dinamo che produce elettricità. La pressione dei passi su un pavimento o su una strada può essere recuperata sotto forma di elettricità sfruttando l’effetto piezoelettrico.

A Parigi nel 1880 il fisico Pierre Curie (1859-1906) (marito di Marie Curie (1867-1934), scopritrice degli elementi radioattivi radio, radon e polonio) scoprì che in alcuni materiali, sottoposti a pressione, si formava una corrente elettrica proporzionale alla pressione; i primi materiali in cui è stata osservata questa proprietà furono il quarzo, il tartrato di sodio e potassio e pochi altri. L’effetto piezoelettrico, il cui nome deriva dal verbo greco “piezein”, comprimere, ha avuto molte applicazioni soprattutto nel campo dell’acustica; il suono infatti corrisponde ad una pressione che può, mediante questi dispositivi, essere rivelato sotto forma di corrente elettrica. A partire dalla prima guerra mondiale (1914-1918) sono stati utilizzati rivelatori piezoelettrici per scoprire, mediante la misura dell’eco di un suono rimbalzato dai corpi sottomarini, la presenza nel mare di sommergibili nemici: questi “sonar” sono largamente utilizzati per l’esplorazione del fondo del mare.

Quanta energia in un piede umano

La crescente domanda di sensori piezoelettrici ha fatto progredire le conoscenze del fenomeno fisico e ha portato alla scoperta di nuovi materiali dotati di proprietà piezoelettriche, come il fluoruro di polivinilidene, il titanato zirconato di piombo e altri. A partire dagli anni novanta tali materiali sono stati sperimentati per trasformare la pressione del piede umano in elettricità; l’esercito americano ha studiato delle scarpe con i sensori piezoelettrici inseriti nelle suole o nei tacchi; tali sensori sono stati anche applicati agli zaini in modo da produrre piccole, ma non trascurabili, quantità di elettricità dalle pressioni determinate dal movimento delle persone.

La strada diventa una centrale elettrica

Da qui all’idea di trasformare in elettricità la pressione del passo delle persone su una strada il passo era breve. Lo ha fatto Alexandre Marcel, il vicesindaco della città francese di Tolosa, capitale dell’industria ad alta tecnologia, che ha costruito alcune strade pedonali con questi sensori piezoelettrici incorporati nel pavimento; una simile applicazione è stata fatta a Torino e in alcune pedane usate per esercizi sportivi. Non sorridete: il campo della piezoelettricità e delle sue applicazioni è ancora abbastanza poco esplorato e non dimenticate che anche le celle fotovoltaiche facevano sorridere come generatori di elettricità nel 1952 quando sono state scoperte le proprietà di semiconduttore del silicio: eppure oggi alimentano una fiorente industria con applicazioni nel campo dell’utilizzazione dell’energia solare e nella microelettronica. La grandissima energia umana dissipata aspetta soltanto nuove invenzioni e nuovi materiali per contribuire, almeno un poco, al crescente fabbisogno energetico della nostra società.