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Nanoshell whispering, i nanogusci fotovoltaici “sussurranti” che intrappolano la luce

Nanoshell whispering

Nanoshell whispering

Gli ingegneri di Stanford hanno creato nanogusci fotovoltaici in grado di sfruttare un particolare fenomeno fisico per intrappolare la luce. Il risultato potrebbe migliorare in maniera straordinaria l’attuale efficienza delle celle solari a film sottile, riducendone sia il peso che il costo.

A molti di noi è capitato di sperimentare direttamente il fenomeno acustico della camera a sussurro, per il quale, al di sotto di una cupola o di una volta – o in una qualsiasi camera racchiusa in un’area circolare o ellittica – è possibile ascoltare chiaramente in qualsiasi punto della struttura i “sussurri” prodotti in altre parti della costruzione. Recentemente, gli scienziati di Stanford hanno preso spunto da questo fenomeno per produrre sottili nanosfere cave costituite di un particolare materiale fotovoltaico, il silicio nanocristallino. Il silicio nanocristallino, infatti, è un eccellente materiale fotovoltaico, con caratteristiche di ottima efficienza ed alta resistenza in condizioni di esposizione estrema alla luce, ma presenta una bassa capacità di assorbimento, il che si traduce in una forte richiesta di materiale per ottenere una cella fotovoltaica in grado di produrre un quantitativo non trascurabile di energia elettrica. Le nanosfere fotovoltaiche sono in grado di propagare la luce al loro interno allo stesso modo in cui le camere a sussurro intrappolano le onde acustiche, e in pratica migliorano notevolmente l’assorbimento del materiale. Grazie a questo effetto, secondo gli ingegneri di Stanford, si potrebbe ridurre notevolmente il peso e quindi il costo delle attuali celle fotovoltaiche a film sottile. Prosegui la lettura »

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Tecnologia e futuro prossimo: l’Elettronica Organica.

Negli ultimi anni, l’interesse nei confronti dell’Elettronica Organica è enormemente cresciuto sia a livello di ricerca accademica che industriale. A tal proposito, Confindustria Emilia-Romagna ha organizzato, il 16 dicembre scorso a Bologna, in collaborazione con ENEA e Alma Graduate School, un workshop sull’Elettronica Organica, tematica affrontata in precedenza anche da CRIT Research con un incontro tra aziende e tecnici ENEA presso la sede di Vignola. Gli incontri hanno avuto come obbiettivo quello di definire una linea di ricerca, sviluppo e sperimentazione che sia di interesse per le aziende e che potrebbe essere finanziata nell’ambito del bando “Laboratorio Pubblico-Privato”, pubblicato dal MIUR e con scadenza il 15 febbraio 2011.

Quello dell’Elettronica Organica è di un tema di interesse strategico per le imprese dell’Emilia-Romagna, dato il peso delle ricadute tecnologiche che può determinare in molteplici ambiti applicativi: dalle macchine per il packaging al biomedicale, dal tessile/moda all’energia, alla chimica, ai materiali, alle macchine da stampa.

L’Elettronica Organica è infatti una piattaforma tecnologica emergente che consente la realizzazione di componenti e sistemi sottili, leggeri, flessibili, a basso costo, dal ridotto impatto ambientale.  Si basa sull’azione combinata di nuovi materiali  funzionali ad alte prestazioni e processi di produzione ad alta velocità, su larga area e basse temperature, compatibili anche con le plastiche, la carta e i tessuti. Ha la potenzialità di integrare una vasta gamma di nuove funzionalità e rappresenta un’opportunità tecnologica che apre la strada a nuove applicazioni e consente l’integrazione di componenti elettronici eterogenei.

Alcuni esempi sono: imballaggi intelligenti, dispositivi a Radio Frequenza (RFID), celle solari flessibili, illuminazione a basso consumo, dispositivi diagnostici, batterie stampabili, display flessibili, smart card, sensori e alimentatori integrati nei film polimerici.

La nuova tendenza alla ricerca in questo ambito è diretta conseguenza dei numerosi vantaggi che l’Elettronica Organica ha nei confronti della tradizionale elettronica inorganica. Tali vantaggi consistono principalmente nella possibilità di realizzare dispositivi su film sottili e flessibili, su larga area e con bassi costi di realizzazione e produzione, sfruttando le caratteristiche dei materiali polimerici utilizzati.

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Light-trapping photovoltaics: le nanoparticelle migliorano le prospettive dell’energia solare

Ogni anno, Technology Review pubblica la lista di quelle che ritiene siano le 10 tecnologie emergenti più importanti e determinanti nel prossimo futuro. Le scelte vengono effettuate sulla base dei riscontri editoriali dei settori tecnologici ritenuti più strategici. La domanda che gli autori della rivista si pongono, nel selezionare tali tecnologie, è semplice: si tratta di un tipo di tecnologia che può cambiare il mondo?

Kylie Catchpole. Credit: Meghan Petersen

Fra le 10 tecnologie selezionate quest’anno dalla rivista del MIT, poniamo l’attenzione sul “Light-trapping photovoltaics”. Si tratta di una tecnologia, ancora in fase di ricerca, sviluppata a partire dal 2002 da una ricercatrice australiana, Kylie Catchpole, dell’Australian National University di Canberra, nata dall’idea di pensare ad un sistema completamente nuovo per produrre una cella solare, in particolare una cella solare a film sottile. Le celle solari a film sottile, realizzate mediante la deposizione di sottilissimi strati di materiali semiconduttori, quali il silicio amorfo e il tellururo di cadmio, sono meno costose delle celle solari in silicio convenzionali, tuttavia scontano ancora un livello di efficienza inferiore rispetto ad esse, proprio a motivo del loro ridotto spessore: tale caratteristica, infatti, ne riduce la capacità di assorbire la regione del vicino infrarosso (near infra red, NIR) dello spettro della radiazione solare incidente, caratterizzata da lunghezze d’nda più elevate. Il risultato che ne deriva è che una cella a film sottile converte in elettricità l’8-12% della radiazione incidente, contro il 14-19% di una cella a silicio cristallino.

L’attività della Catchpole, lavorando nell’ambito della plasmonica, si concentrò sin dall’inizio sulle particolari proprietà ottiche dei metalli: la ricercatrice scoprì che depositando nanoparticelle di argento sulla superficie di una cella a film sottile in silicio incrementava significativamente la capacità di quest’ultima nell’assorbire le radiazioni con lunghezze d’onda più elevate. Infatti, scoprì che i plasmoni (un tipo di onda che si genera per effetto dell’eccitazione degli elettroni che si trovano su di una superficie di un metallo) localizzati sulla superficie delle nanoparticelle di fatto deviavano i fotoni della radiazione incidente in modo da farli “rimbalzare” all’interno della cella favorendone l’assorbimento.

Sulla base del principio sopra esemplificato, la Catchpole ha sviluppato un prototipo di cella in silicio a film sottile con un’efficienza del 30% superiore a quelle attualmente disponibili in commercio. E’ evidente che l’introduzione di una simile tecnologia sul mercato consentirebbe al fotovoltaico a film sottile (che oggi, per gli USA, ad esempio, rappresenta il 30% del mercato e, a livello mondiale, è dominato dalla statunitense First Solar) un grosso balzo in avanti; in ogni caso, sicuramente rappresenterebbe un fattore di stimolo alla crescita dell’intero settore del fotovoltaico.

La ricercatrice è già stata approcciata da molte imprese interessate ai risultati della sua attività: tuttavia, finora ha resistito nell’intento di migliorare ed ottimizzare quanto sviluppato fino ad oggi. Intanto i ricercatori della  Swinburne University of Technology di Melbourne stanno collaborando con Suntech Power, uno dei produttori leader mondiali di celle solari in silicio, nello sviluppo di celle solari a film sottile plasmonico.

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Nuova tecnologia per realizzare dispositivi GaAs a basso costo

La nuova tecnologia denominata rubber stamping consente di creare facilmente celle fotovoltaiche, transistor e sensori infrarossi

Fonte: http://spectrum.ieee.org

Un gruppo di ricercatori, guidato da John Rogers, dell’Università di Illinois a Urbana-Champaing ha inventato un modo meno costoso di realizzare dispositivi – fra cui celle solari e telecamere infrarossi – utilizzando semiconduttori composti, notoriamente molto più costosi ma anche decisamente più efficienti del Si. Tale metodo, presentato sulla rivista Nature, prevede la crescita di stacks di film sottili di semiconduttore, il prelievo di tali film uno alla volta ed la stampa degli stessi su substrati a basso costo (es.: silicio, vetro).

FLEXIBLE PHOTOVOLTAIC: Transfer printing makes a 10-by-10 array of gallium arsenide solar cells on flexible plastic possible. Credit: John Rogers, University of Illinois at Urbana-CHampaign

FLEXIBLE PHOTOVOLTAIC: Transfer printing makes a 10-by-10 array of gallium arsenide solar cells on flexible plastic possible. Credit: John Rogers, University of Illinois at Urbana-CHampaign

Come è noto, il silicio è attualmente il semiconduttore più utilizzato in microelettronica per la realizzazione di chips ed altri dispositivi; tuttavia, quando è necessario ottenere prestazioni elevate in termini di efficienza, si ricorre a semiconduttori composti quali l’arseniuro di gallio o il nitruro di gallio. Le celle fotovoltaiche realizzate con GaAs, ad esempio, sono tra le più efficienti in assoluto, essendo in grado di convertire circa il 40% dell’energia solare in energia elettrica (il valore massimo raggiunto dal silicio si attesta intorno al 20%). Il problema ad oggi riscontrato per tali composti è il costo: un wafer di 6″ di GaAs ha un costo di circa 200$, l’equivalente in silicio di circa 40$.

Il nuovo processo sviluppato dai ricercatori dell’Università di Illinois, che di fatto utilizza una tecnica di stampa a trasferimento (transfer printing), consente di massimizzare l’utilizzo del GaAs e di depositare film sottili su substrati di qualsiasi tipo, quali anche fogli sottili in materiale plastico, aprendo la strada all’effettiva realizzazione di celle solari flessibili.

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Scaling Up Solar Power

Fonte: www.technologyreview.com

Applied Materials makes the equipment needed to produce the biggest solar panels in the world.

By Katherine Bourzac

In 2006, semiconductor-equipment giant Applied Materials got into the solar-power market in a big way. At the company’s headquarters in Santa Clara, CA, you can see just how big: a ceiling-mounted crane lifts a piece of glass the size of a garage door onto a table for testing. The glass sheet, covered with a thin orange film of amorphous s­ilicon, ­is destined to become one of the world’s largest solar panels.

Technicians at Applied Materials test a laser scribe machine, part of the company’s equipment line for making the world’s largest solar panels. The lasers etch the outlines of solar cells into a transparent conductive oxide that coats a glass panel. Credit: Jen Siska

Technicians at Applied Materials test a laser scribe machine, part of the company’s equipment line for making the world’s largest solar panels. The lasers etch the outlines of solar cells into a transparent conductive oxide that coats a glass panel. Credit: Jen Siska

Applied Materials developed the equipment to produce these extremely large photo­voltaic panels in order to lower the price of solar power–­crucial if solar is to compete on price with fossil-fuel electricity. The value of a solar installation comes down to the cost of each watt of power it can produce over the lifetime of a panel, and Applied Materials’ panels bring down costs in two ways. The equipment for manufacturing thin-film solar cells operates more efficiently when the panels are bigger. And larger modules need less hardware and labor to wire them together and support them.

Applied Materials, which was already the largest equipment supplier to the semiconductor and liquid-crystal-display industries, brought its expertise to solar power in 2006. The company’s photo­voltaics and its display backplanes are both based on glass panels coated with amorphous silicon. Its production facilities were already set up to make those panels in 10 sizes, so achieving the best cost per watt was simply a matter of picking the right surface area, says Jim Cushing, senior director of the photo­voltaic-equipment line. The result was “by far the fastest ramp to production in the PV industry,” he says–from lab to market in just under two years.

Applied Materials now sells a complete set of equipment for transforming large glass panels into thin-film solar cells, transporting it to manufacturers in several shipping containers. The company claims that each factory using its equipment can produce enough solar cells every year to generate 80 megawatts of power, enough to provide energy for 35,000 U.S. homes during peak hours of electricity use.

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Solar Cells Use Nanoparticles to Capture More Sunlight

Fonte: www.technologyreview.com/

Optical antennas could help solar cells produce more energy.

By Katherine Bourzac

Inexpensive thin-film solar cells aren’t as efficient as conventional solar cells, but a new coating that incorporates nanoscale metallic particles could help close the gap. Broadband Solar, a startup spun out of Stanford University late last year, is developing coatings that increase the amount of light these solar cells absorb.

Based on computer models and initial experiments, an amorphous silicon cell could jump from converting about 8 percent of the energy in light into electricity to converting around 12 percent. That would make such cells competitive with the leading thin-film solar cells produced today, such as those made by First Solar, headquartered in Tempe, AZ, says Cyrus Wadia, codirector of the Cleantech to Market Program in the Haas School of Business at the University of California, Berkeley. Amorphous silicon has the advantage of being much more abundant than the materials used by First Solar. The coatings could also be applied to other types of thin-film solar cells, including First Solar’s, to increase their efficiency.

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Efficient Solar Cells from Cheaper Materials

Fonte: www.technologyreview.com

IBM researchers have built efficient cells using abundant elements.

By Kevin Bullis

Researchers at IBM have increased the efficiency of a novel type of solar cell made largely from cheap and abundant materials by over 40 percent. According to an article published this week in the journal Advanced Materials, the new efficiency is 9.6 percent, up from the previous record of 6.7 percent for this type of solar cell, and near the level needed for commercial solar panels. The IBM solar cells also have the advantage of being made with an inexpensive ink-based process.

Copper power: This prototype solar cell uses a copper-based material and has achieved record efficiencies for a cell of its kind. Credit: IBM Research

Copper power: This prototype solar cell uses a copper-based material and has achieved record efficiencies for a cell of its kind. Credit: IBM Research

The new solar cells convert light into electricity using a semiconductor material made of copper, zinc, tin, and sulfur–all abundant elements–as well as the relatively rare element selenium (CZTS). Reaching near-commercial efficiency levels is a “breakthrough for this technology,” says Matthew Beard, a senior scientist at the National Renewable Energy Laboratory, who was not involved with the work.

The IBM solar cells could be an alternative to existing “thin film” solar cells. Thin film solar cells use materials that are particularly good at absorbing light. The leading thin film manufacturer uses a material that includes the rare element tellurium. Daniel Kammen, director of the Renewable and Appropriate Energy Laboratory at the University of California, Berkeley, says the presence of tellurium could limit the total electricity such cells could produce because of its rarity. While total worldwide electricity demand will likely reach dozens of terawatts (trillions of watts) in the coming decades, thin film solar cells will likely be limited to producing about 0.3 terawatts, according to a study he published last year. In contrast, the new cells from IBM could produce an order of magnitude more power.

The new cells could also have advantages compared to cells made of copper indium gallium and selenium (CIGS), which are just starting to come to market. That’s because the indium and gallium in these cells is expensive, and while the selenium used in the IBM cell is rarer than indium or gallium, its cost is a tenth of either.

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Thin-Film Solar with High Efficiency

Fonte: Technology Review

Solexant is printing inorganic solar cells with nanomaterials.

By Katherine Bourzac (Technology Review)

Solar cells made from cheap nanocrystal-based inks have the potential to be as efficient as the conventional inorganic cells currently used in solar panels, but can be printed less expensively. Solexant, a company in San Jose, CA, is currently manufacturing solar cells to test the technology. In order to compete with other thin-film solar companies, Solexant is banking on simpler, cheaper printing processes and materials, as well as lower initial capital costs to build its plants. The company expects to sell modules for $1 per watt, with efficiencies above 10 percent.

Nanocrystal solar: The solar cells at top were made on a roll-to-roll printer from an ink consisting of the rod-shaped inorganic semiconducting nanocrystals shown below. The cells were printed on a flexible metal foil and will be topped with a glass plate. Credit: Solexant

Nanocrystal solar: The solar cells at top were made on a roll-to-roll printer from an ink consisting of the rod-shaped inorganic semiconducting nanocrystals shown below. The cells were printed on a flexible metal foil and will be topped with a glass plate. Credit: Solexant

The company has licensed methods for growing nanocrystals and making them into inks from Paul Alivisatos, professor of nanotechnology at the University of California, Berkeley and interim director of the Lawrence Berkeley National Laboratory. (Alivisatos is on Solexant’s board of directors.) Alivisatos says the advantage of these materials is their potential to combine low cost with high performance. Solar cells made from crystalline silicon are efficient at converting sunlight into electricity, but they’re expensive to manufacture. To bring down the cost, companies have been developing thin-film solar cells from semiconductors that don’t match crystalline silicon’s performance but are much less expensive to make.

Solexant’s goal is to make cheap thin-film solar cells with relatively high efficiencies. It would not disclose what the nanoparticle inks are made of, but the company says they are suspensions of rod-shaped, semiconducting nanocrystals that are four nanometers in diameter and 20 to 30 nanometers long. The Solexant cells are printed on a metal foil as the substrate. Nanocrystal films are simple to print but have poor electrical properties. Electrons tend to get trapped between the small particles. “The trick with these cells is how to deposit the materials on the fly in a way that makes a very conductive surface,” which in turn ensures decent light-to-electricity conversion, says Alivisatos. Solexant begins with nanocrystals because they’re easier to print, and heats them as they’re printed, causing them to fuse together into larger, high-quality microcrystals that don’t have as many places for electrons to lose their way.  continua a leggere…

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“Il film sottile si fa così”

Fonte: Quotidiano Energia

Il presidente di Siena Solar Nanotech, Carlo Taliani, parla dei nuovi orizzonti del fotovoltaico

Di Francesco Ranci (Quotidiano Energia)

Carlo Taliani, fra gli scienziati più citati a livello internazionale nel campo dei transistor organici a film sottili, è anche fondatore e presidente di Siena Solar Nanotech (2SN), società nata dagli studi del Cnr di Bologna (IsmnIstituto per lo studio dei materiali nanostrutturati) sulla tecnologia Pulsed Plasma Deposition (PPD) per realizzare celle fotovoltaiche flessibili, utilizzando come materiale di base il tellururo di cadmio (CdTe). Così ha risposto alle domande di QE.

2sn - Siena Solar NanotechD. 2SN ha annunciato l’ingresso fra i suoi soci di Fondo Toscana Innovazione (QE 4/11) e la prossima realizzazione in Italia di uno stabilimento produttivo, a scopo dimostrativo, di celle fotovoltaiche a film sottile. Cosa caratterizza la vostra soluzione?

R. “Il tellururo di cadmio è una delle due alternative, la più matura, al silicio cristallino ed amorfo. Attualmente viene fatto depositare sul supporto flessibile tramite evaporazione, a temperature elevatissime che hanno un’efficacia limitata oltre a creare problemi per la sicurezza dei lavoratori. Il nostro brevetto basato sull’utilizzo delle nanotecnlogie (PPD) consente invece di lavorare a temperature meno elevate e di ottenere una resa superiore, paragonabile se non superiore anche a quella del silicio cristallino, ma a costi molto più bassi”.

D. Quale problema dovete risolvere nella fase dimostrativa?

PPD - Pulsed Plasma Deposition

Immagine del processo PPD, Pulsed Plasma Deposition, sviluppato da 2SN (Credit: 2SN)

R. “Si tratta semplicemente di mettere in atto un impianto che produca il film sottile di CdTe con un prototipo di processo continuo per dimostrare la fattibilità del passaggio alla fase industriale. Il prototipo sarà pronto entro l’anno e nell’arco del 2010 saremo sicuramente pronti a passare alla ingegnerizzazione. Abbiamo già coinvolto nel progetto partner industriali di livello internazionale”.

D. Lei ha parlato di due sole alternative al silicio cristallino, l’altra è costituita dai polimeri, su cui ad esempio Eni punta molto?

R. “No, mi riferivo alle tecnologie che sfruttano l’indio (Cigs – Copper indium gallium (di)selenide). Sono interessanti e potremo occuparcene in futuro, ma l’indio è un materiale piuttosto scarso, a differenza del cadmio, e ci sono altre incognite tecnologiche da superare per ottenere una resa sufficiente a competere sul mercato. I polimeri e gli organici in generale sono più indietro. Sebbene si siano fatti i primi esperimenti circa due decadi fa il problema principale con che resta è la stabilità all’aria ed in particolare all’ossigeno e all’umidità”.

D. Lei è uno scienziato ancora attivo nella ricerca presso l’Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati del CNR di Bologna. Come è diventato imprenditore?

R. “Per fortuna in Italia qualcosa sta cambiando nel rapporto fra ricerca e industria. Nel 2003 con alcuni collaboratori del Cnr di Bologna abbiamo creato la società Organic Spintronics (OS). OS coordina il progetto Flexsolar con il finanziamento dal programma Industria 2015 per un valore di circa 12 milioni di € e 2SN vi partecipa insieme a una compagine di università e centri di ricerca fra cui l’ISMN e l’IMM del CNR di Bologna oltre che a industrie e multinazionali italiane e all’Università israeliana Technion di Haifa. Nel 2007 è nata 2SN con il sostegno finanziario di Fises (Finanziaria senese di sviluppo), e quindi, con la partecipazione del fondo Toscana Innovazione di SICI si è completato il primo round di finanziamento. C’è maggiore interesse da parte degli investitori per l’innovazione e si possono mettere in campo anche progetti di medio periodo come il nostro. Certo, negli Usa sarebbe normale, mentre qui è un’iniziativa ancora pionieristica”.

D. Nella competizione in atto a livello internazionale per la leadership tecnologica nel settore energetico, come sono messe l’Italia e l’Europa nei confronti di Usa e Cina?

R. “La qualità della ricerca in Europa, Italia compresa, non teme confronti. La Commissione Europea ha fatto molto per integrare le attività che nei principali paesi erano già a livelli di eccellenza. Anche gli Stati Uniti guardano all’Europa con molto interesse quando si parla di ricerca scientifica specialmente nel campo delle nanotecnologie. La Cina è decisamente più indietro da questo punto di vista, dove gli effetti distruttivi sulla tradizione accademica fatta dalla Rivoluzione Culturale si sono fatti sentire per molti anni. Una solida rete di scuole accademiche e di centri di ricerca non si ricostruisce in pochi decenni, e non bastano i rilevanti finanziamenti investiti; ci vorrà ancora molto tempo”.

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Nanopatterns Improve Thin-Film Solar Cells

Fonte: Technology Review

Thin-film silicon solar cells are more efficient with tiny holes in the back electrical contact.

By Kate Greene (Technology Review)

Any given solar-cell technology has drawbacks and advantages. Thin-film solar cells, for instance, require less material than traditional solar cells, and are therefore cheaper, lighter, and flexible. And if those thin films are made with amorphous silicon, the cost is further reduced. The problem, however, is that thin-film solar cells made of amorphous silicon tend to have extremely low efficiencies compared to thicker, crystalline silicon photovoltaics.

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Rainbow response: The absorption of light with a wavelength of 660 nanometers is greatest for the spacing and diameter of the holes in the dark-red portion of this graphic. The inset shows the layout of the cell. Credit: Harry Hatwater

But now, research from Caltech shows that it’s possible to increase the efficiency of thin-film amorphous silicon cells 37 percent–from 4.5 percent efficiency to 6.5 percent, which is still significantly lower than commercial crystalline silicon cells that achieve efficiencies of more than 30 percent–by simply adding a pattern of nanoscale holes to the electrical contact on the back side of cells. Importantly, the research, led by Harry Atwater, professor of applied physics and materials science at Caltech, appears to be practical for scaling up to large-scale production of the cells.

A number of researchers and startups are exploring thin-film solar cells made of nonsilicon materials. But, says Atwater, these materials are relatively rare, and as such, they aren’t practical for widespread use. “These represent challenges at extremely large scale,” he says. continua a leggere…

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