Valutazione attuale: 5 / 5

Stella attivaStella attivaStella attivaStella attivaStella attiva
 
banner_projectgeneric




Clean Energy Project - Phase 2 (Concluso)

Missione
La missione di Clean Energy Project è quella di trovare nuovi materiali per la futura generazione di celle solari e più tardi per dispositivi di immagazzinamento dell'energia.
Attingendo all'immensa potenzialità di World Community Grid, i ricercatori possono calcolare le proprietà elettroniche di decine di migliaia di materiali organici - molti di più di quanti possano essere testati in un laboratorio - e determinare quali candidati siano i più promettenti per sviluppare tecnologie abbordabili per l'energia solare. 
 
Importanza
Stiamo vivendo nell'Era dell'Energia. L'attuale economia basata sui combustibili fossili, deve lasciare strada alla futura economia basata sulle energie rinnovabili, ma raggiungere questo obiettivo è la più grande sfida dell'umanità. La chimica può aiutare ad affrontare questa sfida scoprendo nuovi materiali che raccolgano efficientemente la radiazione solare, immagazzinino l'energia per utilizzi successivi e riconvertano l'energia immagazzinata quando necessario.
Il Clean Energy Project usa la chimica computazionale e la disponibilità delle persone ad aiutare per cercare le migliori molecole possibili per: un materiale organico fotovoltaico per ottenere celle solari economiche, polimeri per le membrane utilizzate nelle celle a combustibile per la generazione di elettricità e in generale come assemblare in modo migliore queste molecole per costruire questi dispositivi.
Aiutando a cercare tra migliaia di possibili sistemi, i volontari di World Community Grid contribuiscono a questo sforzo.
 
Approccio
I ricercatori utilizzano calcoli di meccanica molecolare e struttura elettronica per prevedere le proprietà ottiche e di trasporto delle molecole che potrebbero diventare la prossima generazione di materiali per le celle solari.
a) La Fase 1 ha eseguito calcoli di meccanica molecolare: Nella prima fase del progetto, la computazione si è focalizzata nel comprendere come le molecole ipotetiche candidate si impacchettassero per generare un solido (cristallo, lastra, polimero...) e nel predirre se tale solido potesse avere le proprietà elettroniche adatte per essere possibilmente utilizzato nelle cellule solari. Questi calcoli sono stati fatti nella Fase 1 del progetto, utilizzando il  CHARMM, un programma di dinamica molecolare sviluppato dal gruppo Karplus della Università di Harvard. Per maggiori informazioni, vedere il sito The Clean Energy Project - Phase 1.
b)La Fase 2 sta eseguendo calcoli di struttura elettronica. Per ottenere proprietà elettroniche, ottiche e di altra natura fisica più accurate del materiale solare candidato, vengono eseguiti calcoli di meccanica quantistica per ognuno dei candidati. Questi calcoli verranno realizzati con il programma di chimica quantistica Q-Chem, sviluppato dalla Q-Chem, Inc. Questo lavoro porterà ad una banca dati molto utile di informazioni sulle proprietà di un grande numero di composti. Questa fase inoltre garantirà un diretto rifornimento ai gruppi sperimentali per aiutarli nella loro progettazione di cellule solari sviluppate.
 
Dettagli
World Community Grid e i ricercatori del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica dell'Università di Harvard stanno lavorando insieme per sviluppare celle solari efficenti ed economiche utilizzando materiali basati su molecole organiche, che aiuteranno a soddisfare la necessità di energia del mondo del futuro attraverso risorse di energia rinnovabile. Se il costo dei correnti pannelli solari si riducesse di un fattore da cinque a dieci, molti paesi potrebbero utilizzare i pannelli solari per ottenere il 20% dell'energia dal sole. Probabilmente il costo della produzione di celle solari al silicio si ridurrà di un fattore 2 o 3 grazie alla crescità dell'industria e la realizzazione dell'economia di scala, ma questo non è sufficente per rivoluzionare l'uso delle celle solari. Alla luce della crescente richiesta di pannelli solari più economici, i ricercatori nel campo di pannelli solari organici o basati sul carbonio aprono le porte a materiali a basso prezzo e la possibilità di un processo industriale a basso costo attraverso una produzione su larga scala con macchine per la stenditura a rulli (simili a quelle utilizzate per produrre i giornali). Questi materiali, composti principalmente di atomi di carbonio, possono potenzialmente combinare le proprietà elettroniche dei comuni semiconduttori con le eccellenti proprietà meccaniche e produttive dei materiali plastici. Le attuali celle solari organiche hanno raggiunto un'efficenza della conversione dell'energia intorno al 5% ed una durata stimata di circa 1000 ore sotto continua illuminazione, vicine ai valori richiesti per entrare in particolari nicchie del mercato dei pannelli solari commerciali. I prodotti attualmente sul mercato basati su celle solari organiche includono: caricatori portatili per cellulari e portatili, generatori elettrici d'emergenza, e equipaggiamenti da esterno, come zaini e tende. Tuttavia, per raggiungere una larga quota di mercato, e in particolare per soddisfare la domanda mondiale di energia per il 2050 (vedi «The Clean Energy Project - Phase 1»), l'efficenza e la durata di questi pannelli fotovoltaici devono essere aumentati sostanzialmente. Per esempio, efficenze nell'ordine del 15% e una durata superiore almeno a 10000 ore sono ragionevoli aspettative per l'uso di questi materiali come principale fonte di energia per il mondo degli anni futuri. World Community Grid e The Clean Energy Project Il calcolo distribuito è basato sull'idea che la potenza computazionale del mondo non è più concentrata in centri di supercomputers, ma piuttosto il lavoro è distribuito su centinaia di milioni di personal computer in tutto il pianeta, rendendo disponibili alla comunità scientifica nuove risorse computazionali. Con l'idea di un progresso scientifico collaborativo, i ricercatori del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica dell'Università di Harvard, in collaborazione con World Community Grid della Fondazione IBM e grazie al contributo di un gran numero di volontari, hanno deciso di usare la loro infrastruttura per il calcolo distribuito, e a Dicembre 2008 hanno lanciato «The Clean Energy Project» (vedi «CEP - Phase 1). L'importanza di questa collaborazione si basa sul fatto che l'enorme potenza computazionale di World Community Grid può essere impiegata per:
1) Progettare centinaia di materiali, convenzionali e non, impiegabili in applicazioni di celle solare organiche a livello molecolare;
2) Creare un database pubblico di strutture molecolari e proprietà fotovoltaiche (derivate da metodi di chimica quantistica) ad uso dei ricercatori. La fase 1 del progetto ha utilizzato un software chiamato «CHARMM» per vedere come le molecole potenzialmente candidate si uniscono insieme per formare un solido e per controllare se le proprietà del solido lo rendono utilizzabile come candidato per l'uso in celle solari. La fase 2 del progetto sta usando calcoli di meccanica quantisticha per calcolare più precisamente se questi solidi candidati hanno le proprietà elettroniche e fisiche richieste per essere utili nella costruzione di celle solari. Questi calcoli di strutture elettroniche saranno eseguiti con il software di chimica quantistica «Q-Chem», sviluppato dalla «Q-Chem Inc.». La speranza del progetto è di raggiungere un potere predittivo e fornire idee per i ricercatori sperimentali, rendendoli in grado di progettare nuovi composti per soddisfare gli alti standard per i dispositivi: materiali stabili all'aria, profili di assorbimento compatibili con lo spettro solare, e alte caratteristiche di trasporto della carica. Definitivamente, con il supporto di World Community Grid, gli scienziati dell'Università di Harvard si aspettano di creare materiali utili per produrre celle solari efficenti ed economiche, che possano fornire una valida soluzione per le nostre future necessità di energia.
 
Domande frequenti
Perchè l'energia solare è importante?
Ci si aspetta che per il 2050 la richiesta mondiale di energia sarà il doppio di quella attuale. L'energia è senza dubbi un requisito fondamentale per la stabilità ecomica sia del mondo sviluppato che di quello in via di sviluppo. Tuttavia, nonostante la sua importanza, il sistema energetico attuale è lontano dal diventare auto-sostenibile. Raggiungere un sistema energetico completamente sostenibile richiederà un importante passo avanti tecnologico che cambi radicalmente i nostri paradigmi su come produciamo e utilizziamo l'energia. Una possibile soluzione a questo problema è l'energia solare. Ogni ora, raggiunge la Terra energia solare sufficente per i nostri bisogni energetici di un intero anno. Trovare il modo di convertire l'energia solare che riceviamo in forme utilizzabili per mantenere gli attuali stili di vita rappresenta un obiettivo principale di «The Clean Energy Project».
Come funziona una cella solare organica?
Le celle solari organiche convertono la luce solare in elettricità. Per prima cosa la cella solare organica deve assorbire luce. La luce assorbita aggiunge energia nel materiale, provocando una aumento di energia degli elettroni nel materiale e costringendoli a muoversi attraverso il materiale, lasciandosi dietro un buco. In secondo luogo, gli elettroni sono costretti a spostarsi in una regione dovo possono essere raccolti da un materiale ricevente, abbassando la loro energia (per esempio l'interfaccia donatore - ricettore nella figura 1). Una volta che gli elettroni sono stati raccolti, possono essere estratti per fornire una corrente, o possono restare nel dispositivo per aumentare il voltaggio. Gli elettroni che lasciano la cella solare organica possono fornire energia a qualsiasi cosa connessa al circuito.
Figura 1. Illustrazione di come funziona una cella solare organica (1) Assorbimento della luce e formazione di un eccitone (foro-elettronico a coppia); questo passo è seguito dal passaggio di un elettrone nel più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO) di un semiconduttore donatore di elettroni (ad esempio una molecola di pentacene); (2) L'elettrone è trasferito dal LUMO del semiconduttore donatore di elettroni al semiconduttore ricettore di elettroni (ad esempio una molecola di C60) e (3) seguentemente il trasporto dell'elettrone agli elettrodi. Nota: HOMO è il più alto orbitale molecolare occupato.
Il progetto come aiuterà la ricerca di materiali per le celle solari?
Capendo le proprietà dei nuovi materiali che sono alle basi delle fonti alternative di energia rinnovabile rappresenta una delle più importanti sfide scentifiche di oggi. Molti di questi materiali sono composti da grandi molecole organiche, contenenti centinaia di atomi. Questi atomi possono essere ridisposti in diversi modi per effettuare una «sintonia-fine» delle proprietà del materiale desiderato. Con l'aiuto di World Community Grid, i ricercatori controlleranno le proprietà conduttive di almento 1000000 di strutture molecolari (create attraverso metodi combinatori) che sono utilizzabili per applicazioni su celle solari organiche. Il risultato di un così grande numero di elaborazioni sarà utilizzato per creare un database pubblico di proprietà molecolari per la raccolta di dati.
Cos'è l'efficenza in una cella solare?
Le celle solari sono comunemente caratterizzate dalla percentuale di luce solare incidente che possono convertire in energia elettrica. Per questo motivo l'efficenza è fornita in forma di percentuale. In generale, l'efficenza è determinata dal materiale di cui è fatta la cella solare e dalla tecnologia utilizzata per costruirla. L'efficenza delle celle solari attualmente disponibili in commercio varia dal 5% al 17%. Nonostante celle solari basate su materiali inorganici hanno raggiunto un'efficenza massima fino al 40%, sono costose da produrre, e inquinanti quando devono essere smaltite. La massima efficenza raggiunta da una cella solare organica è intorno all'8% (dati del 2010). Pertanto, c'è ancora molto lavoro per migliorarle. Se i ricercatori dovessero trovare una cella solare organica la cui efficenza raggiungesse il 10%, queste celle sarebbero commercialmente realizzabili e rivoluzionerebbero il campo dei materiali solari. Inoltre, se queste celle coprissero il 0,16% della superficie del pianeta, produrrebbero intorno ai 20TW di energia (Terawatt, mile miliardi di Watt), che potrebbe compensare l'incremento di consumi di energia stimato per il 2050.
Quali altre applicazioni tecnologiche saranno rilevanti in questo progetto?
Un'altra applicazione tecnologica che sarà derivata da questo progetto è lo studio dell'elettronica molecolare, dove le molecole sono utilizzate per costruire componenti elettronici. Un buon semiconduttore organico per le celle solari potrebbere essere altrettanto buono per potenziali applicazioni in elettronica molecolare, ad esempio nei transistor. Questo significa che «The Clean Energy Project» ha il potenziale per estendere la Legge di Moore. CEP ha pianificao anche di ospitare una serie di altre elaborazioni per la cattura e la conservazione dell'energia pulita, come concentratori solari e celle di combustibile polimeriche. Solamente con il tuo aiuto i ricercatori potranno perseguire queste direzioni di ricerca pure e applicate.
Salvaschermo: come sono creati i grafici sul salvaschermo del progetto?
La grafica 3D sullo sceensaver disegna l'evoluzione di una matrice mentre è diagonalizzata da Q-Chem per ottenere la struttura elettronica delle molecole. La dimensione della matrice è determinata dalla dimensione della molecola (ad esempio il numero di elettroni e il numero di nuclei) così come dall'accuratezza del calcolo. Ad esempio, una molecola più grande, così come un calcolo più accurato risulteranno in una matrice più grande. I picchi nel grafico rappresentano la magnitudine di ogni elemento della matrice. Un insieme di parametri può essere estratto da questa matrice una volta che gli elementi diagonali non cambiano più e la maggior parte degli elementi non diagonali sono ridotti. Questa rileverà la struttura elettronica della molecola. Capire la struttura elettronica delle molecole candidate è cruciale per predirre le proprietà delle celle solari, come assorbimento della luce, conducibilità e stabilità.
Cos'è Q-Chem?
Per ottenere la struttura elettronica delle molecole, abbiamo bisogno di utilizzare la meccanica quantistica. Q-Chem è una suite di programmi che possono calcolare le strutture molecolari, gli spettri elettronici, le vibrazioni molecolari e molti altri parametri risolvendo equazioni di meccanica quantistica. Q-Chem è il software di struttura elettronica preferito dalla squadra di CEP. Tutte queste proprietà contribuiranno a trovare la molecola ideale per i pannelli fotovoltaici organici.
Come possiamo aumentare la consapevolezza riguardo l'energia e la salvaguardia dell'ambiente?
Ognuno sa che le risorse energetiche basate su combustibili fossili sono finite, e si possono esaurire nel vicino futuro, questo senza alcun dubbio. Ma come possiamo aiutare a mantenere le necessità energetiche di oggi e del domani? Per aumentare la nostra consapevolezza del problema, la squadra di CEP ha deciso di creare immagini animate (scipplets), che mostrano piccoli approfondimenti riguardo la richiesta di energia attuale e futura. Scipplett sta per «Science Applets». Gli «scipplets» compaiono come immagini nel salvaschermo. In queste immagini, includiamo fatti relativi all'energia che rappresentano la motivazione principale del nostro progetto. Inoltre, ci aspettiamo di incorporare più «scipplet» come il progetto andrà avanti, in modo da renderli uno strumento informativo per tutti coloro che sono interessati nel saperne di più riguardo fonti di energia alternative. «Scipplet» è una nuova parola coniata ad Harvard, che significa SCIence aPPLET.
Cos'è il gigajoule (GJ)?
Il gigajoule è un'uità di energia. Puoi scomporre la parola in «giga» e in «joule». Giga è un prefisso greco utilizzato per definire 1.000.000.000, e il Joule (J) è un'unità di energia.
Come può il progetto aiutare l'umanità?
«The Clean Energy Project» è focalizzato sull'aiutare gli scienziati a progettare tecnologie energetiche più efficenti. Il risultato del progetto può quindi aiutare a ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili, abbassando le nostre emissioni, mantenendo l'aria pulita e contribuendo a combattere contro il riscaldamento globale. La nostra ricerca faciliterà lo sviluppo di materiali per celle solari più ecomomiche e flessibili, che speriamo possano essere utilizzate in tutto il mondo.
Perchè la partecipazione alla fase 2 del progetto è a scelta?
Queste elaborazioni richiedono unità di lavoro che potrebbero durare più a lungo, utilizzare maggiore memoria, richiedere maggior spazio su disco e trasferimenti di dati. Pertanto stiamo dando agli utenti la possibilità di aderire o no al progetto. Inoltre, CEP è il primo progetto di World Community Grid ad usare un server esterno. Questo significa che i dati dei tuoi risultati sono caricati direttamente sul server di ricerca di Harvard. Vi sono controlli di sicurezza per verificare che i dati caricati siano trasferiti correttamente, e verificati dal server di ricerca di Harvard. WCG controlla su quali server i dati sono inviati, e che i server di Harvard non inviino dati alle macchine dei volontari. Pertanto, se sei interessato nel far avanzare la scienza delle celle solari, aiutaci in questo grande sforzo!
 

Requisiti minimi:

* Almeno 1 GB RAM (con memoria virtuale abilitata)
* Hard Disk con almeno 2 GB disponibili
* Capacità di visualizzare grafici 8-bit a risoluzione 800x600
* Connessione ad internet almeno a 40kpbs (max 0.1MB x WU)
* Sistema operativo: Windows XP, Vista, 7, 2003, 2008, Mac, Linux x86 and x86-64

(client disponibile solo 32 bit)

 



Per commentare questo post nel forum devi effettuare il login

Articoli

Guida WSL

Updated
Written on 26/02/2021, 18:14 by boboviz
guida-wslGuida a Boinc su WSL   Su stimolo di un nostro volontario abbiamo provato a far funzionare il client boinc in una macchina virtuale linux (ci sono...

Ultime dal Blog

Written on 19/06/2017, 14:38 by boboviz
addio-lugano-bellaCari sodali scaccolatori,come alcuni di voi sanno, il sottoscritto, oltre ad essere appassionato di Boinc, è anche "appassionato" di HPC e, visto che il...