Produzione vetro

PROGETTARE LA MATERIA: I VETRI ENERGETICI
Prodotti vetrosi innovativi come dispositivi di controllo, sfruttamento e produzione di energia.
Anna Faresin

Il vetro, uno tra i materiali maggiormente impiegati nel progetto di architettura moderna e contemporanea, si contraddistingue per l’elevata versatilità prestazionale ed estetica. Prodotto artificialmente mediante fusione di silicio, soda, calce e limitate quantità di ossidi di calcio, magnesio, allumina, ha riscontrato nei millenni una grande capacità del settore produttivo di aumentarne le prestazioni ottiche e termiche, favorendo nuove ed interessanti possibilità di impiego. In circa tremila anni_1 il processo di affinamento delle tecniche ha subito, infatti, una continua evoluzione che prefigura per il futuro significative possibilità di ulteriore sviluppo.
E’ stata soprattutto la capacità di permettere l’introduzione della luce negli ambienti interni, che ne ha decretato e legittimato l’utilizzo nel progetto in architettura. “Il lungo dominio di questo materiale ha creato un’immagine culturale in cui la trasparenza è tutt’uno con le sue specifiche proprietà. In particolare si è creato un legame tra il carattere quasi magico della prestazione e la delicatezza del materiale che la offriva; è giusto che il vetro, materiale nobile, sia anche di carattere suscettibile: duro e fragile. “Fragile come il vetro” suona ancor oggi come un’espressione di rispetto più che come l’enunciazione di un difetto”_2. Trasparenza, fragilità, durezza sono, infatti, le proprietà intrinseche nel vetro sin dalla sua scoperta. Ma il superamento dei vincoli storici che tali peculiarità hanno comportato è stato indispensabile soprattutto per primeggiare sulla concorrenza di un materiale rispondente sia all’esigenza di trasparenza che di resistenza: la plastica. Un tempo relegati a ridotte e celate applicazioni edilizie, i polimeri si stanno facendo strada, infatti, in svariati campi di applicazione, divenendo un’interessante risposta alla sperimentazione sui materiali.
L’evoluzione del vetro è stata caratterizzata, dunque, da un’innovazione di tipo funzionale che si è concretizzata nel passaggio da un’esigenza di “quantità, del recente passato (“fare più trasparente”), ad una di qualità (progettare la qualità della trasparenza)”_3. Già nel 1930 Frank Lloyd Wright sottolineava, con queste parole, il nuovo compito dell’architetto: “Il vetro ora ha raggiunto una perfetta trasparenza in lastre sottili di aria cristallizzata che possono far viaggiare le correnti d’aria fuori o dentro. L’articolazione delle ombre era il “lavoro di spazzola” dell’architetto classico. Lasciate ora lavorare l’architetto con la luce, luce diffusa, luce riflessa, luce per la sua stessa salvezza”_4.
La complessità del rapporto tra materiale e luce e la necessaria acquisizione di nuovi requisiti si è tradotta nella ricerca e nello sviluppo tecnologico di materiali vetrosi funzionalizzati, progettati “su misura” per soddisfare specifiche esigenze. Le possibilità offerte dalla tecnologia consentono di intervenire sulla natura e sui processi produttivi del vetro, senza doversi più adeguare ed adattare passivamente alle sue caratteristiche. Nel passato era il materiale a proporre un proprio potenziale impiego, “a priori” rispetto al progetto, tanto che “Manzini definisce i materiali arcaici “materiali a complessità subìta”, sottolineando l’incapacità dell’uomo di modificare a proprio vantaggio la loro complessità prestazionale”_5. Diversamente, il percorso evolutivo della materia consente, oggi, di assistere ad un’inversione di filosofia che coinvolge il binomio materiale–impiego: l’uso subordina a sé la materia che viene “addomesticata”, consentendo di inglobare una molteplicità di soluzioni tecniche. I nuovi materiali hanno “sconvolto i tradizionali paradigmi progettuali e rivoluzionato i vecchi rapporti di prestazione tra resistenza e leggerezza, densità e trasparenza, durezza e flessibilità”_6. Si tratta, riprendendo la definizione di Manzini, della “complessità gestita” che ha presupposto la transizione attraverso la “complessità controllata”_7, per giungere, infine, alla capacità di progettare le anisotropie per ottenere un miglioramento delle prestazioni di base e l’acquisizione di nuove proprietà. E’ la chimica che consente di modificare le micro-strutture del vetro. E’ l’accoppiamento con altri materiali che consente di modificarne le macro-strutture. Il tutto gestendo contemporaneamente moltissime variabili in funzione delle proprietà fisico-meccaniche, industriali, ambientali che si vogliono ottenere.
Il settore produttivo si è infatti adoperato per fare in modo che il vetro riuscisse a rispondere a svariati requisiti: innanzitutto il miglioramento della qualità delle lastre reso possibile dalla tecnica float_8 e, poi, la sicurezza meccanica, la resistenza al fuoco, l’acustica, la manutenzione, l’antinfortunio, l’antiproiettile, l’antibomba. La specializzazione e differenziazione dei vari prodotti è stata effettuata anche in relazione alle loro potenzialità estetico-comunicative: l’ampia disponibilità di vetri serigrafati, colorati, olografici, stampati, dotati di pellicole colorate applicate ne costituisce testimonianza tangibile. Ma certamente l’aspetto cui l’industria del vetro sembra aver riservato particolare importanza, anche nel rispetto dei principi dell’edilizia sostenibile, riguarda la risposta all’urgenza del problema economico-ecologico di riduzione del fabbisogno energetico degli edifici_9. Il settore delle costruzioni costituisce, infatti, uno dei maggiori ambiti di impiego di energia in termini di scambio di calore - dispersioni ed apporti solari – con l’ambiente circostante. In tal senso, l’involucro edilizio può essere assimilato ad un sistema termodinamico che permette entrata, conversione ed espulsione del flusso energetico termico e luminoso. L’obiettivo dell’industria è stato quello di ridurre il carico dovuto al condizionamento estivo e al riscaldamento invernale per sfruttare al meglio l’energia rinnovabile solare, dotando il vetro di caratteristiche ottiche ed energetiche.
Studi effettuati sullo scambio di calore attraverso le superfici vetrate hanno dimostrato la presenza di una serie di fenomeni conduttivi_10, convettivi_11 e radiativi_12 variabili in base alla trasparenza del vetro alla radiazione solare e alle caratteristiche ambientali circostanti. Una proporzionalità diretta lega la quantità di energia termica scambiata alla trasmittanza termica_13, alla differenza di temperatura tra interno ed esterno e alla superficie di scambio. In merito alle dispersioni termiche, il miglioramento della resistenza del vetro (che presenta conducibilità termica pari a 1 W/mk) non si realizza mediante l’aumento di spessore, bensì con l’addizione di una seconda lastra separata dalla prima da un’intercapedine riempita d’aria. Il controllo delle prestazioni termiche di tali vetrate isolanti, dette anche vetricamera, si è evoluto moltissimo dalla loro prima comparsa nel mercato avvenuta all’inizio degli anni ’70 del 1900. Le varie strategie passano attraverso l’introduzione di “intercalari” caldi (composti da un sottile foglio metallico e da un materiale sintetico plastico, il polipropilene) per sigillare il vuoto tra le lastre, l’aumento dello spessore dell’intercapedine (fino ad un massimo di 15 mm)_14, l’introduzione di gas inerti con bassa conducibilità (es. argon, Krypton) e di materiali isolanti trasparenti e traslucidi (TIM)_15 tra le lastre o l’impiego di rivestimenti basso-emissivi che permettono la riduzione dello scambio radiativo del 75% circa, limitando le dispersioni termiche, prodotte dai radiatori, verso l’esterno. Si tratta di depositi molecolari di metalli e/o ossidi metallici, progettati per l‘ottimizzazione dell’isolamento termico, che vengono posti sulla faccia interna della prima lastra o su quella esterna della seconda senza impedire l’apporto di luce ed energia dall’esterno.
Ma non è finita. Per effettuare una valutazione completa dell’energia che attraversa il vetro si devono considerare anche i flussi positivi dovuti all’irraggiamento solare. Il materiale presenta una trasparenza quasi completa alla radiazione del sole_16 con la conseguente riduzione del consumo di energia per riscaldamento e per illuminazione ma anche con il conseguente aumento di temperatura dei corpi posti all’interno dell’edificio. Questi, a loro volta, emettono radiazioni infrarosse (variabili in relazione alla trasparenza del vetro, all’esposizione, alla stagione, all’ora del giorno, ma alle cui lunghezze d’onda il vetro risulta opaco) che rimangono “intrappolate” all’interno dell’ambiente provocando surriscaldamento. Risulta evidente, dunque, la necessità di individuare un equilibrio ottimale di prestazioni tecnologiche finalizzate al controllo dell’apporto energetico e luminoso. L’adozione di coating riflettenti, pellicole costituite da depositi metallici con funzione di controllo solare, riduce sensibilmente l’energia della radiazione incidente che viene riflessa verso l’esterno e assorbita, trasmettendola solo in parte, favorendo un consistente taglio alle spese di condizionamento. Le pellicole selettive, poi, consentono di assorbire la radiazione solare (sono di colore grigio, verde o bronzo) e di rifletterla come un vetro chiaro, offrendo, di fatto, sia le prestazioni di un vetro basso-emissivo che di uno riflettente. Si distinguono due categorie tecnologie di deposizione fisica della pellicola che portano alla realizzazione rispettivamente di vetri pirolitici, con coating ottenuto per pirolisi effettuata in linea con il forno di produzione, e di vetri magnetronici con coating fissato attraverso un processo di sputtering magnetronico mediante la creazione di un campo elettromagnetico sotto vuoto spinto.
Poiché il bilancio termico dell’involucro è fortemente condizionato dalla scelta del prodotto vetroso e del sistema di ombreggiamento si sente la necessità di una gestione più che oculata nella preferenza di una delle numerose soluzioni realizzate dal produttore. E in effetti il mercato propone un’offerta davvero ampia di vetrate schermanti - costituite da sistemi composti in grado di sostituire sistemi tecnologici macroscopici - che prevedono l’interposizione, tra lastre di vetro, di lamelle fisse, lamelle mobili regolabili, pannelli prismatici, reti metalliche, tessuti colorati. Anche l’applicazione di pellicole colorate, intercalari in PVB, o la realizzazione di vetrate serigrafate, sabbiate, satinate, colorate in pasta, sebbene in primis sollecitate dal risultato estetico-espressivo, contribuiscono a modulare e controllare i flussi energetici tra esterno ed interno dell’edificio, ottimizzando l’utilizzo di materia e di energia.
Ma “l’emergere della questione ambientale ha”, di fatto, “causato un salto evolutivo imponendo una revisione di alcuni aspetti che caratterizzano i nuovi materiali e che costituiscono un limite del loro comportamento ambientale come la rapida obsolescenza dovuta al rapido mutare delle esigenze; il rapporto non attivo con l’ambiente; l’irreversibilità del processo compositivo dei materiali compositi; la rapidità nel divenire rifiuto, scarto, quantità di energia non più disponibile”_17. L’obiettivo, del futuro ormai prossimo, consiste nel mettere a punto prodotti vetrosi sempre più performanti, migliorandone le prestazioni energetiche ed avvicinandone il comportamento termico a quello dei materiali solidi opachi. Già nel 1978, uno studio effettuato da Richard Rogers & Partners al fine di definire gli ambiti di ricerca futuri dell’azienda Pilkington, riporta queste parole: “l’edificio deve diventare come un camaleonte che si adatta. Un edificio appropriatamente equipaggiato ed adeguatamente rivestito dovrebbe monitorare tutte le variabili interne ed esterne, temperatura, igrometria e livello della luce, radiazione solare, ecc., per determinare la migliore equazione energetica, date queste condizioni, e modificare l’edificio in accordo con il sistema interno. Non è troppo chiedere ad un edificio di incorporare, nella sua struttura e nel suo sistema nervoso, la fondamentale qualità dell’adattamento”_18.
La ricerca e la produzione si è adoperata per realizzare una nuova classe di materiali reattivi e variabili a seconda degli stimoli dei fattori incidenti. Non più, dunque, solo una reattività univoca e costante ma una dinamicità in grado di fornire differenti prestazioni in risposta alle sollecitazioni e alla variabilità dei fenomeni naturali nonchè alle esigenze dei fruitori. Questi nuovi materiali trasparenti, definiti da Alfarano “sistemi integrati a controllo dinamico per la trasparenza variabile”_19, appartengono alla categoria degli Smart Materials_20 e sono in grado di modulare il passaggio del flusso elettromagnetico nel tempo, tornando allo stato iniziale infinite volte. Si tratta dei dispositivi cromogenici caratterizzati da una consistente variazione del comportamento ottico – da trasmittente a riflettente - al variare della luce incidente sulla superficie (vetri fotocromici)_21, al variare della temperatura superficiale esterna (vetri termocromici)_22, al variare del campo elettrico regolato dall’utente (vetri elettrocromici, a cristalli liquidi, a particelle sospese). L’assenza di controllo della mutevolezza dei primi due sistemi, che si autoregolano, li penalizza nell’impiego in architettura. Di notevole interesse sono, invece, i vetri elettrocromici, costituiti da strati di spessore totale pari a 1 µm, depositati sulle lastre. La trasmissione luminosa muta in relazione al segnale elettrico comandato dall’utente. Un nuovo impulso è necessario per far riacquisire al prodotto la trasparenza. Dal 1998 sono disponibili in commercio le vetrate E-Control, prodotte da Pilkington (Gran Bretagna) e Sageglass, prodotta da Sage (USA). I vetri a cristalli liquidi, invece, presentano, tra le lastre, una pellicola contenente delle cavità sferiche con cristalli liquidi orientati in maniera casuale con conseguente diffusione della luce. L’attivazione di un campo elettrico tra le superfici della pellicola comporta l’orientamento dei cristalli e garantisce la trasparenza del vetro. Sono disponibili in commercio le vetrate Varilite, prodotta da Isoclima (Italia) e Priva-Lite, prodotta da Saint Gobain Glass (Francia). I vetri a particelle sospese_23, poi, presentano tre o cinque strati con quello più interno dotato di particelle sospese in un gel organico. L’attivazione di un campo elettrico fa allineare le particelle che gradualmente fanno aumentare la trasparenza. I materiali fotoelettrocromici (PEC)_24, infine, costituiscono il grado evolutivo più elevato dei materiali innovativi trasparenti. Sviluppati da due ricercatori americani_25 nell’ambito del programma “Smart windows” di creazione di dispositivi finalizzati al risparmio energetico, impiegano la luce incidente per alimentare il cambiamento di colore attraverso controllo elettronico. “L’innovazione consiste prevalentemente nel fatto che l’effetto della radiazione luminosa non agisce direttamente sul sistema di oscuramento che è separabile dal meccanismo di fotoalimentazione”_26. Gli attuali studi concernenti i prodotti cromogenici sono concentrati allo sviluppo di nuove classi di conduttori elettrici ad alta conducibilità, al superamento dei limiti dimensionali dei materiali, all’allungamento della durata del loro ciclo di vita, alla diminuzione del prezzo di acquisto, al fine di ampliarne le possibilità di impiego. Certamente un loro utilizzo diffuso comporterebbe una consistente riduzione dell'incidenza economica sulla gestione energetica degli edifici. Con questo stesso obiettivo il mercato offre da alcuni anni sistemi vetrati che integrano le ricerche relative ai materiali trasparenti e alle tecnologie fotovoltaiche: si tratta di prodotti costituiti da lastre in cui vengono incorporate celle fotovoltaiche o da intere superfici rivestite con film fotovoltaici sottili che sono in grado di produrre energia elettrica dalla radiazione solare_27.
L’uso sempre più esteso di tali materiali innovativi permetterebbe, inoltre, una sempre maggiore consapevolezza dell’evoluzione che li riguarda: il raggiungimento di una complessità che mira ad un modello biologico in grado di reagire e resistere alle repentine trasformazioni del contesto esterno.
La ricerca e la specializzazione tecnologica, infatti, si muove sempre più verso prodotti quasi biologici che fungono da filtro interagente con l’ambiente in modo sensibile ed intelligente. “Peso e massa sembrano lasciare spazio ad una nuova proprietà: l’intelligenza. Il “sistema nervoso” degli edifici può essere costituito da sensori ed attuatori che gli conferiscono la capacità di percepire luci, suoni, odori, ed anche sollecitazioni termiche o meccaniche. Viene così rivoluzionato uno dei postulati estetici posti alla base della cultura occidentale che vede l’edificio come oggetto che si oppone alla provvisorietà del divenire”_28. Ma non è solo la scelta dei materiali a risultare determinante nella gestione del ciclo di vita dell’edificio, certamente anche quella dei relativi processi produttivi. Così, ad esempio, optare per prodotti molto durevoli rispetto ai sistemi costruttivi nei quali sono inglobati risulta ambientalmente antieconomico. La risposta a questa problematica è insita nella nuova tendenza del mercato: non solo progettare il materiale, ma anche progettarne la durata in relazione al suo uso con la speranza che, nel futuro, sia esso stesso ad automonitorare con intelligenza le operazioni di sostituzione, rimozione, smontaggio veramente necessarie e, di conseguenza, provvedere consapevolmente alla propria riparazione. Questo nell’ottica di vincere la pressante sfida di riduzione degli sprechi e dei danni ambientali durante tutto il ciclo di vita dell’edificio, anche definendo, preventivamente, il tipo di dismissione possibile. Naturalmente per valutare gli aspetti ambientali connessi alla produzione di elementi vetrosi è necessario stimare il costo totale energetico delle diverse fasi: dalla produzione, alla gestione, allo smaltimento. Occorre, cioè, analizzare dapprima il prelievo delle risorse necessarie per la miscela, fino a giungere alle lavorazioni che la trasformano in prodotto finito, contenendo gli sfridi e recuperando gli scarti. Si deve passare attraverso una scelta oculata dell’area di estrazione, considerando anche la vicinanza ai mezzi di trasporto quali navi e treni. Gli interventi di miglioramento dell’efficienza energetica in fase di lavorazione si concentrano soprattutto sulla fusione, puntando ad un minor utilizzo delle risorse, ad una riduzione dell’emissione di anidride carbonica, ad un recupero del calore prodotto dal forno e ad una limitazione del costo di acquisto delle risorse energetiche. Il riutilizzo dei materiali vetrosi deve considerare i costi economico-ambientali derivanti dalla dismissione degli edifici e di quelli necessari per la rimessa in funzionamento nel nuovo sistema tecnologico, facilitato in quei componenti che prevedono la presenza di ulteriori materiali assemblati_29.

Note:
1_ Plinio il Vecchio, nel suo Naturalis Historiae riporta una leggenda fenicia che attribuisce la scoperta del vetro ad alcuni mercanti che, carichi di soda, accesero il fuoco sulla sabbia, in prossimità di un fiume, accorgendosi, il giorno successivo, della formazione di una materia trasparente e lucente.
2_ Manzini E., La materia dell’invenzione, Arcadia Edizioni, Milano, 1986, p. 159.
3_ Manzini E., op. cit., p. 167.
4_ Wright F. L., Style and Industry, lezione tenuta a Pinceton nel 1930.
5_ Langella C., Nuovi paesaggi materici. Design e tecnologia dei materiali, Alinea Editrice, Firenze, 2003, p.18.
6_ Vitta M., La materia manipolata, in L’Arca, 136, Aprile, Arca Edizioni, 1998, p. 78.
7_ Aveva l’obiettivo di realizzare materiali complessi.
8_ Il vetro float fu inventato nel 1959 da Sir Alastair Pilkingon e prodotto per galleggiamento della lastra allo stato pastoso su un bagno di stagno. Costituisce, grazie alla superficie priva di difetti, il vetro di base di ogni prodotto trasformato.
9_ Anche per la certificazione energetica degli edifici dovuta l’entrata in vigore della Direttiva Europea 2002/91CE.
10_ Conduzione: trasmissione di calore tra due corpi di diverse temperature posti a contatto tra loro.
11_ Convezione: propagazione del calore nei fluidi per spostamenti, nella massa stessa, del fluido riscaldato.
12_ Irraggiamento: trasmissione di calore tra due corpi a diversa temperatura in per mezzo di radiazione elettromagnetica.
13_ Trasmittanza termica: quantità di calore che viene dispersa da 1 mq di involucro dell’edificio per differenza di 1° C nel tempo unitario. E’ definita dall’inverso della somma delle resistenze termiche degli strati di chiusura, determinate, a loro volta, dal rapporto tra spessore e conduttività termica del materiale.
14_ Oltre quel valore gli scambi convettivi aumentano annullando la resistenza dell’aria.
15_ TIM è l’acronimo dell’inglese Transparent Insulation Materials. Si tratta, ad esempio, di lastre di aerogel, xerogel, carbogel, polimetilmetacrilato, materiale acrilico, ecc.
16_ La radiazione solare è compresa in una banda di lunghezze d’onda che varia da 300 nm a 3000 nm. Della quantità di energia che colpisce il vetro una parte viene assorbita e una parte riflessa.
17_ Langella C., op. cit., p.34.
18_ Rogers R., Notes on the Future of Glass (Private report to Pilkington Glass Ltd), Richard Rogers and Partners, London, 1979.
19_ Alfarano G., Trasparenza trasformista, in Ambiente Costruito, 3, Luglio-Settembre, Maggioli Editore, 1999, p. 14.
20_ Dall’inglese: Smart Materials, ovvero Materiali Intelligenti.
21_ I vetri fotocromici variano la trasmissione luminosa in funzione della luce incidente sulla superficie. Questa proprietà è ottenuta incorporando nella pasta di vetro materiali sensibili ai raggi ultravioletti.
22_ I vetri termocromici variano l’assorbimento luminoso in funzione della temperatura superficiale esterna. Questa proprietà è dovuta al rivestimento delle lastre con triossido di tungsteno o di diossido di vanadio.
23_ Sono chiamati anche elettoforetici. Il loro sviluppo è ostacolato da problemi tecnologici non ancora risolti.
24_ Integrano tecnologie fotovoltaiche con quelle elettrocromiche e fotocromiche, cercando di superarne i limiti.
25_ Brian Gregg e Clement Bechinger, ricercatori del Renewable Energy Lab a Golden nel Colorado.
26_ Langella C., op. cit., p.139.
27_ Il fisico francese Becquerel osservò nel 1839 il fenomeno fisico responsabile della trasformazione della radiazione solare in elettricità: la superficie di un elemento semiconduttore (le cellule di silicio) assorbe l’irraggiamento solare incidente che fornisce energia affinché si generi un flusso libero di elettroni all’interno del semiconduttore stesso.
28_ Langella C., op. cit., p.69.
29_ Si segnala la consultazione dei testi: Compagno A., Intelligent Glass Facades, Birkhauser, Basilea, 1999; Conio C., La tecnologia della trasparenza, Tecnomedia, Milano, 1995; Kaltenbach F., Translucent materials: glass, plastics, metals, Birkhauser, Basilea, 2004; Paolella A., Minucci R., (a cura di), L’efficienza energetica degli edifici. L’uso del vetro per la riduzione degli effetti negativi derivanti dai mutamenti climatici, Novatiporom, Roma, 2005; Tucci F., Involucro ben temperato. Efficienza energetica ed ecologica in architettura attraverso la pelle degli edifici, Alinea Editrice, Firenze, 2006.