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ITA

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Ciao a tutti, dato l'interessante contest proposto da @aboutcoolscience sull'analisi di potenziali problemi che incontreremmo vivendo su Marte, ho deciso di proporvi una mia riflessione ed un possibile quadro risolutivo.

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Che tipo di problemi potreste trattare?

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Per rispondere al contest volevo soffermarmi sul problema dell'immagazzinamento dell'energia.
Grazie agli spunti introduttivi di @aboutcoolscience mi sono imbattuto in un interessante ricerca scientifica basata sull'Effetto Leidenfrost.

L'Effetto Leidenfrost

Avete mai provato a spegnere un fiammifero bagnandovi i polpastrelli di saliva?

Come possiamo notare non proviamo nessun dolore e quasi quasi non notiamo un grande cambiamento della temperatura.
Se applichiamo questo stesso principio utilizzando una padella e della semplice acqua possiamo trarne delle interessanti conclusioni.

Sappiamo che l'acqua evapora a 100°C alla pressione di 1 atmosfera e sappiamo inoltre che se varia quest'ultima, varia anche la temperatura di ebollizione dell'acqua.
All'aumentare della pressione, la temperatura di ebollizione sale e viceversa diminuisce.
Siccome in media sulla superficie terrestre, siamo in condizioni di pressione atmosferica, è uso comune dire che l'acqua bolle a 100°C, ma ricordiamoci che il tutto dipende dalle condizioni di pressione.

Se applichiamo il principio di Leidenfrost utilizzando una piastra e della semplice acqua è possibile notare che, se la facciamo gocciolare sulla piastra preriscaldata tra i 190 e i 200 °C (circa il doppio della temperatura di ebollizione), le bollicine non evaporano subito ma rimangono leggermente sollevate e si muovono in modo irregolare.
Questo effetto è noto con il nome di Effetto Leidenfrost, che consiste nella formazione di uno strato di vapore pressoché istantaneo tra la piastra calda e la bollicina d'acqua, che è libera di volteggiare e muoversi sulla superficie riscaldata.

Ma perchè allora la bollicina non si scalda ed evapora?

Avete presente i diagrammi temperatura-entropia che ci mostrano gli stati dell'acqua (liquido, vapore saturo, vapore surriscaldato)?
Non vi preoccupate, sembrano parolone complicatissime ma vedremo insieme come dalla semplice ed attenta osservazione di questi diagrammi possiamo carpire un sacco di informazioni utili.

Possiamo notare sull'asse delle y la temperatura che è crescente verso l'alto e sull'asse x l'entropia che è crescente verso destra.
Al centro del grafico possiamo notare una "campana", che rappresenta la fase di passaggio tra liquido e vapore.
Per capirci meglio: tutto quello che è a sinistra della campana è allo stato liquido; al contrario, quello che rimane a destra è allo stato di vapore.
Possiamo notare delle linee oblique che attraversano la campana e che rappresentano il percorso che seguirebbe lo stato dell'acqua aumentando la temperatura e la pressione e mantenendo fisso il volume (isocore).
Allo stesso modo le linee che attraversano la campana approssimativamente orizzontali rappresentano il percorso isotermo-barico (processo a temperatura e pressione costante).

Partendo da circa 20°C, iniziamo a scaldare l'acqua fino a che raggiungiamo i 100°C. Sotto l'ipotesi di essere a pressione costante di 1 atmosfera avremmo seguito la linea nera isobara che ci avrebbe portato esattamente in prossimità della campana di evaporazione.
Da qui in poi l'acqua inizierà ad evaporare, ma la temperatura rimarrà costante a 100°C fino al raggiungimento del punto opposto della campana seguendo una isotermo-barica costante.
Una volta raggiunto questo punto la temperatura è di nuovo libera di crescere e di formare vapore surriscaldato e più avanti gas ideali.
Durante la fase di evaporazione la parte ancora liquida viene chiamata liquido saturo, mentre la parte evaporata è nota come vapore saturo.
Per trovare le percentuali di composizione di questa miscela acqua-vapore, possiamo sfruttare il titolo di vapore, che indica il rapporto fra massa di vapore saturo e la massa totale della miscela.

La peculiarità di questa transizione di fase è proprio la temperatura costante che sta a significare l'assenza di scambio di calore.

Tornando alla nostra goccia, quando subisce uno shock termico, si genera un sottile strato di vapore che, per alcuni minuti, non permette il passaggio del calore.
Tramite l'utilizzo di piastre dentate è possibile definire una direzione al movimento delle gocce.

Perchè questo effetto dovrebbe essere interessante per l'immagazzinamento energetico su Marte?

L'Effetto di Leidenfrost è altrettanto applicabile anche alla CO2 solida, nota come ghiaccio secco, che se posta su una superficie ad alta temperatura rimane sollevata.
Un gruppo di ricercatori della Northumbria Universty ha proposto una macchina che fa dell'effetto Leidenfrost il suo cavallo di battaglia immagazzinando poi l'energia ottenuta. Pensate ad un astronauta che ricarica i suoi strumenti elettrici per la missione del giorno dopo!

Di seguito un video che illustra il funzionamento del motore.

video - CCO Licence

Possibili approfondimenti sul motore - A sublimation heat engine
Gary G. Wells, Rodrigo Ledesma-Aguilar, Glen McHale & Khellil Sefiane

Una volta ottenuto un piatto rotante, potremmo dotalo di magneti avvolti da spire di rame che grazie al movimento e alla presenza del campo magnetico rotante andrebbero ad indurre una corrente elettrica nelle spire che si autoconcatenerà con le spire dell'avvolgimento di statore generando una corrente e una differenza di potenziale immagazzinabile in batterie sotto forma di energia elettrica.

Grazie alle basse pressioni e alla buona presenza di giacimenti di CO2 secca (calanchi), Marte risulta essere una buona soluzione per la produzione di energia rinnovabile. Ciò potrebbe aprire la strada alla costruzione di centrali elettriche per l'immagazzinamento dell'energia derivante da questo fenomeno.

Conclusioni

Forse è ancora presto per parlare di centrali elettriche su Marte, ma sono convinto che nei prossimi anni ci saranno tante scoperte scientifiche che ci faranno rimanere a bocca aperta e ci faranno riconsiderare ogni alternativa già analizzata.

C'è anche da considerare altre problematiche più "essenziali" per la vita su Marte come la produzione di
ossigeno e di fonti alimentari che possano garantire una minima percentuale di sopravvivenza.
Non sono molto convinto su un futuro insediamento umano sul pianeta rosso, ma mi sento molto più positivo su un suo utilizzo futuro come risorsa di energia rinnovabile.

Proposta alternativa

James Green, direttore della divisione di scienze planetarie della NASA, ha accennato alla possibilità futura di indurre un campo magnetico su Marte tramite l'utilizzo di diversi magneti.
Questo garantirebbe una teorica formazione di uno scudo protettivo contro il vento solare, esattamente come avviene per il pianeta Terra, con il conseguente innalzamento della temperatura di qualche grado e il miglioramento delle condizioni per un futuro insediamento umano.
Questo faciliterebbe la creazione di basi di rifornimento e di sosta per un ipotetica esplorazione del sistema solare.

Fatemi sapere i vostri pareri a riguardo e se avete qualche altro spunto di riflessione.

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Bibliografia e fonti

• Biling and the Leidenfrost Effect - Jearl Walker - Cleveland State University
  https://www.wiley.com/college/phy/halliday320005/pdf/leidenfrost_essay.pdf
• Northumbria University. "Breakthrough in energy harvesting could power 'life on Mars'." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 March 2015.
  https://www.sciencedaily.com/releases/2015/03/150305081134.htm
  https://www.northumbria.ac.uk/about-us/news-events/news/2015/03/breakthrough-in-energy-harvesting-could-power-life-on-mars/
• Khellil Sefiane's Breakthrough in 'Leidenfrost Engine' Could Power Life on Mars - The University of Edimburgh
  https://www.eng.ed.ac.uk/about/news/20150306/khellil-sefianes-breakthrough-leidenfrost-engine-could-power-life-mars
• L’Effetto Leidenfrost, Cos’è e come avviene la Calefazione Stefano Cocomazzi
  https://www.bmscience.net/blog/leffetto-leidenfrost/
• La Nasa ha un'idea: faremo tornare l'acqua su Marte - Giuliano Aluffi - Repubblica.it
  http://www.repubblica.it/venerdi/interviste/2017/05/24/news/marte_corto-166304907/?refresh_ce
• Termodinamica e trasmissione del calore - Yunus A. Cengel - Quarta edizione
• Foundamentals of Termodynamics - Moran Shapiro - 5th Edition

Fonti immagini:

• Motore Leidenfrost - CCO
• Effetto Leidenfrost - CCO
• Diagramma Temperatura Entropia - Non modificabile
• Mars image - CCO
• video - CCO Licence

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Sono rimasto molto colpito dal contest: non pensavo di poter concorrere su un post dedicato a Marte,
invece, la differenziazione degli argomenti trattabili ha aperto le porte a tantissime potenziali proposte.
Sono molto curioso di leggerle tutte!

Daedevils

Un in bocca al lupo a tutti i partecipanti, ed un invito a votare per @davinci.witness

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ENG

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Hello everyone, given the interesting contest proposed by @aboutcoolscience on the analysis of potential problems we could encounter living on Mars I have decided to offer you my reflection and a possible resolutive solution.

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What kind of problems could you deal with?

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In order to respond to the contest, I wanted to focus on the problem of energy storage.
Thanks to the introductory insights of @aboutcoolscience I learned about an interesting scientific research based on Leidenfrost Effect.

The Leidenfrost Effect

Have you ever tried to put out a match by wetting your fingertips with saliva?

As we can see, we don't feel any pain and almost we don't notice a big change in temperature.
If we apply this same principle using a pan and simple water we can observe interesting conclusions.

We know that the water evaporates at 100 ° C at the pressure of 1 atmosphere and we also know that if the latter varies, the water boiling temperature also varies.
As the pressure increases, the boiling temperature rises and vice versa decreases.
Because of a constant average atmosphere on the Earth's surface (1 Atm), it is common to say that the water boils at 100 ° C, but remember that it all depends on the pressure conditions.

If we apply the principle of Leidenfrost using a plate and simple water it is possible to notice that if we let it drop on the preheated plate between 190 and 200 ° C (approximately twice the boiling temperature), the bubbles can't evaporate immediately but remain slightly raised and moving irregularly.
This effect is known by the name of Leidenfrost effect, which consists in the formation of an almost instantaneous vapor layer between the hot plate and the water bubble, which is free to twirl and move on the heated surface.

But why does the bubble not evaporate?

Do you know the temperature-entropy diagrams that show us the statees of the water (liquid, satured steam, superheated steam)?
Do not worry, they seem very complicated paradox but we will see together how from the simple and careful observation of these diagrams we can get a lot of useful information.

We can see on the y-axis the temperature which is growing upwards and on the x-axis the entropy which is increasing towards the right.
At the center of the graph we can see a "bell", which represents the passage phase between liquid and vapor.
To understand each other better: all that is on the left of the bell is in a liquid state; on the contrary, what remains on the right is in a state of vapor.
We can notice the oblique light-red lines that cross the bell and that represent the path that would follow the state of the water increasing the temperature and pressure and keeping the volume fixed (isocore).
In the same way the lines that cross the bell approximately horizontal represent the isotermo-baric path (process at constant temperature and pressure).

Starting from about 20 ° C, we start to heat the water until we reach 100 ° C. Under the hypothesis of being at constant pressure of 1 atmosphere, we would have followed the isobar black line that would have brought us exactly near the evaporation bell.
From here on, the water will begin to evaporate, but the temperature will remain constant at 100 ° C until reaching the opposite point of the bell following a constant isothermo-baric curve.
Once this point is reached, the temperature is again free to grow and form superheated steam and further ideal gases.
During the evaporation phase the still liquid part is called saturated liquid, while the evaporated part is known as saturated vapor.
To find the percentages of composition of this water-steam mixture, we can exploit the vapor content, which indicates the ratio between saturated vapor mass and the total mass of the mixture.

The peculiarity of this phase transition is certainly the constant temperature which means the absence of heat exchange.

Returning to our drop, when it suffers a thermal shock, a thin layer of steam is generated which, for a few minutes, does not allow the passage of heat.

Through the use of toothed plates it is possible to define a direction to the movement of the drops.

Why this effect should be interesting for energy storage on Mars?

The Effect of Leidenfrost is also equally applicable to solid CO2, known as dry ice, which remains elevated when placed on a high temperature surface.
A group of researchers from Northumbria Universty proposed a machine that stores the obtained energy with the usage of this effect.

Think of an astronaut charging his electric tools for the next day's mission!

Below is a video illustrating the operation of the engine.

video - CCO Licence
possible analysis on the engine - A sublimation heat engine
Gary G. Wells, Rodrigo Ledesma-Aguilar, Glen McHale & Khellil Sefiane

Once a rotating plate has been obtained, we can wrapped a magnet by copper coils which, thanks to the movement and the presence of the rotating magnetic field, would induce an electric current in the coils which will self-coax with the coils of the stator winding generating a current and a potential difference that can be stored in batteries in the form of electricity.

Thanks to the low pressures and to the good presence of dry CO2 deposits (badlands), Mars is a good solution for the production of renewable energy. This could pave the way for the construction of power plants for energy storage resulting from this phenomenon.

Conlcusion

Perhaps it is still early to talk about power plants on Mars, but I am convinced that in the coming years there will be so many scientific discoveries that will make us remain open-mouthed and will make us reconsider every alternative already analyzed.

There are also other more "essential" problems for life on Mars, such as the production of
oxygen and food sources that can guarantee a minimum survival rate.
I am not very convinced about a future human settlement on the red planet, but I feel much more positive about its future use as a renewable energy resource.

Alternative proposal

James Green, director of the planetary science division of NASA, hinted at the future possibility of inducing a magnetic field on Mars through the use of different magnets.
This would guarantee a theoretical formation of a protective shield against the solar wind, exactly as it happens for the planet Earth, with the consequent raising of the temperature of some degree and the improvement of the conditions for a future human settlement.
This would facilitate the creation of supply and rest bases for a hypothetical exploration of the solar system.

Let me know your opinions about it and if you have any other food for thought.

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I was very impressed by the contest: I didn't think I could compete on a post dedicated to Mars, instead, the differentiation of treatable topics has opened the door to many potential proposals.
I'm very curious to read them all!

Daedevils

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A good luck to all the participants, and an invitation to vote for @davinci.witness

If yuo are interested in other scientific posts follow us on the Steemstem & itastem tags.

@ilvacca

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