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La tormentata storia della fusione fredda ha inizio il 23
Marzo 1989 quando i due scienziati americani dell'università
dello UTAH, Martin Fleischmann e Stanley Pons, attraverso una conferenza
stampa annunciarono al mondo scientifico e mediatico la scoperta della
fusione "fredda".
Per comprendere esattamente qual è il tipo di problema risolto
dai due elettrochimici, è necessario introdurre brevemente
cosa sia la fusione nucleare.
COS'E' LA FUSIONE
NUCLEARE ?
E' quella reazione
mediante la quale due nuclei leggeri, spesso Idrogeno o suoi isotopi,
entrano in collisione fondendosi in un unico nucleo più pesante.
Tale reazione quando avviene, sviluppa una grande quantità
di energia. Un esempio molto conosciuto di fusione nucleare è
quella che avviene all’interno della fornace nucleare del nostro
Sole, che emette luce, calore e quindi energia ogni volta che due
nuclei di Idrogeno si avvicinano tra loro a tal punto da fondersi
e diventare, grazie ad una serie di reazioni nucleari, un nucleo di
Elio-4.
Anche se schematizzata in poche parole, in realtà tale reazione
nucleare si completa attraverso passaggi molto complessi ma, possiamo
certamente dire che la causa dell’avvicinamento dei nuclei di
idrogeno è data dalla fortissima agitazione termica, generata
dalla elevata pressione fra i nuclei di idrogeno, dovuta alla attrazione
gravitazionale che tiene compressi i nuclei ad alta densità.
Le temperature estremamente elevate (circa 15 milioni di °C),
generate da questa immensa pressione , fanno si che i nuclei acquisiscano
un'energia sufficiente per poter vincere la reciproca repulsione elettrostatica
-la cosiddetta barriera
Coulombiana- avvicinandosi al punto tale da determinare la fusione.
Condizioni di questo tipo, nonostante siano apparentemente ben comprese,
non sono facilmente riproducibili sulla terra. In tutto il corso del
novecento, e ancora attualmente, sono stati raggiunti parziali risultati
in questo campo, tuttavia non si è ancora riusciti, a fronte
di elevatissimi investimenti economici, ad avvicinarsi molto alle
condizioni che si hanno all’interno del nucleo solare ove la
reazione si “autosostiene”.
Fra i traguardi conseguiti tuttavia,
come esempio, si può citare la realizzazione della famigerata
bomba H. In essa, utilizzando una miscela di Deuterio
e Trizio, due isotopi dell’idrogeno, si riescono a raggiungere
le condizioni che possono innescare la fusione (di tipo esplosivo)
utilizzando l’energia di una bomba atomica a fissione (simile
a quella usata per Hiroschima). La bomba è in grado di produrre
una temperatura molto intensa che è in grado certamente di
superare i 15.000 °C necessari per la fusione dei due nuclei.
Per questo motivo, tale tipo di fusione nucleare è detta Termonucleare
o "calda"; in contrapposizione a quella non termonucleare
o "fredda", così detta perché condotta a temperatura
ambiente e a pressione atmosferica.
LA FUSIONE FREDDA
Da quanto sopra deriva il termine “Fusione
fredda” oppure “Cold fusion” espressione anglosassone
che definisce appunto una fusione dei nuclei che avviene a temperatura
molto, ma molto più bassa dei 15.000°C richiesti.
A seconda del processo che viene utilizzato i metodi più studiati
sono essenzialmente due: fusione fredda prodotta mediante CONFINAMENTO
MUONICO e fusione fredda da CONFINAMENTO CHIMICO.
Il confinamento
Muonico:
Il muone
è una particella dotata di una massa pari a circa 200 volte
quella dell'elettrone e possiede una durata della vita media di circa
2,2 milionesimi di secondo. Tale particella presenta l’interessante
caratteristica che, nel disintegrarsi, il 99,5% della sua massa si
converte in energia. Sulla base di questa peculiarità si è
pensato di utilizzarlo come catalizzatore nelle reazioni nucleari
nel far avvicinare nuclei di Deuterio e Trizio restando a temperatura
ambiente e pressione atmosferica. Nel passaggio dalla teoria alla
pratica sperimentale tuttavia ci si è resi conto che, la possibilità
che tale processo possa avere delle ricadute interessanti nelle applicazioni
nell'ambito della produzione energetica su scala industriale, è
legata al fatto che tale particella, prima di disintegrarsi, possa
sostenere almeno un migliaio di reazioni che, a loro volta, diano
inizio ad una vantaggiosa “reazione a catena”. Questo
perché altrimenti, seppur basato su un fenomeno estremamente
interessante, l’utilizzo e lo sfruttamento di tale fenomeno,
non sarebbe vantaggioso.
Nel voler delineare una storia del confinamento muonico, la prima
verifica sperimentale di questo fenomeno fu eseguita nel 1957 da L.
Alvarez a Berkeley, ma verifiche approfondite dimostrarono che la
quantità di energia prodotta, seppur inconfutabilmente prodotta,
era molto piccola con la conseguenza che il muone riusciva a catalizzare,
al più, una sola reazione prima di disintegrarsi. Ad oggi,
le ricerche, più o meno sistematiche, sullo sfruttamento di
questa particella nella fusione di miscele di Deuterio-Trizio nell'intervallo
di temperature che va da -260°C a 530°C, ha portato all’interessante
risultato di non più di duecento fusioni per ogni muone. Un
valore ancora troppo basso visto che duecento reazioni per muone sono
appena sufficienti a compensare l'energia di alimentazione dello stesso
reattore muonico.
Anche se in un prossimo futuro non fosse ancora possibile raggiungere
le mille reazioni per muone, sarebbe comunque pensabile la realizzazione
di un reattore ibrido in cui la fusione, catalizzata da muoni, sia
seguita da reazioni di fissione nucleare. Impiegando la prima come
fonte di neutroni necessari per la seconda.
Il confinamento
chimico:
La fusione fredda, basata su tale tipo di confinamento, è caratterizzata
dalla proprietà che ha il Palladio
nei confronti dell’idrogeno e dei suoi isotopi. Esso, come una
sorta di spugna, riesce ad assorbire (caricarsi) di una grande quantità
di questo elemento.
L'interazione tra Palladio e Idrogeno in condizioni di caricamento
è, tuttora, oggetto di numerosi studi da parte della fisica
della materia condensata in quanto le anomalie riscontrate in questo
tipo di sistemi attendono ancora una rigorosa interpretazione fisica.
Proprio in questo genere di studi si inserisce la cella elettrolitica
a “fusione fredda” presentata da Fleischmann e Pons nella
famosa conferenza stampa del 1989.
L'apparato dei due ricercatori era costituito grossomodo da una soluzione
di acqua pesante (nient’altro che acqua col Deuterio al posto
dell’Idrogeno) in cui sono immersi due elettrodi, il negativo
(catodo) costituito da Palladio e il positivo (anodo) da
Platino.
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| Idrogeno (giallo) nel reticolo di palladio |
Alimentando la cella elettrolitica
dall'esterno fornendole semplicemente energia elettrica si ha, come
noto, il passaggio di una corrente da un elettrodo all'altro attraverso
la soluzione elettrolitica che determina migrazione degli ioni in
soluzione. Il deuterio, (D+), attratto dal polo negativo di palladio,
si introduce in copiose quantità all’interno del reticolo
cristallino finchè, raggiunte determinate condizioni, inizia
a generare una serie di prodotti “anomali” per una semplice
elettrolisi: Elio, Trizio, neutroni, raggi Gamma e raggi X. Inoltre
si registra la produzione di una quantità di energia sotto
forma di calore che, confrontata con quella fornita in ingresso, risulta
essere maggiore.
Secondo Fleischmann e Pons, l’instaurarsi di quella che si presenta
come una reazione di fusione nucleare, è dovuta alle particolari
proprietà cristallografiche del Palladio che, fungendo in tal
modo da catalizzatore, imprime ai nuclei degli atomi di Deuterio delle
condizioni di risonanza tali da farli fondere.
Diverse interpretazioni
del fenomeno, seppur in grado in qualche modo di giustificare l'eccesso
di calore prodotto, non potevano rientrare all’interno di nessuna
reazione chimica nota, in quanto in nessun caso si ha concomitanza
di trasmutazioni di idrogeno in elio, generazioni di neutroni ed emisioni
gamma. Solo una reazione nucleare di fusione del Deuterio poteva giustificare
quanto riscontrato.
I risultati principali dei loro esperimenti furono che le celle elettrolitiche
avevano prodotto una potenza di 4 Watt contro 1 Watt fornito, con
un rendimento quindi del 400%; i neutroni, in alcuni casi, sono stati
prodotti con un ritmo di circa 40.000 al secondo; (per i detrattori
della fusione fredda, per poter parlare di vera e propria fusione,
i neutroni prodotti per secondo dovrebbero essere almeno mezzo miliardo).
In seguito altri ricercatori, rifacendosi alla strada aperta dagli
esperimenti dei due elettrochimici, giunsero a risultati analoghi.
In taluni casi la rilevazione dei neutroni prodotti era affidata a
due metodi diversi: la via elettrolitica o "umida" (adottata
da Fleischmann e Pons) e la via del "caricamento gassoso"
o "secca" (avviata nei laboratori dell'ENEA
di Frascati) in cui il Deuterio veniva caricato nel Titanio (non
nel Palladio) sotto forma di gas. In ogni caso divenne ben presto
evidente che la via elettrolitica “umida”, rispetto a
quella secca, presenteva numerosi vantaggi, soprattutto riguardo una
maggiore facilità nel caricamento del Deuterio nel Palladio,
dovuta al fatto che il meccanismo dell'elettrolisi alla superficie
degli elettrodi, responsabile della penetrazione dei nuclei di Deuterio
all'interno del reticolo cristallino del Palladio, equivale a condizioni
di pressioni equivalenti a quelle di molte migliaia di atmosfere,
difficilmente raggiungibili con il caricamento per via gassosa.
Le polemiche e
l'incredulità della comunità scientifica
Nonostante l’eclatanza dei risultati presentati, gran parte
della comunità scientifica internazionale accolse con molte
polemiche i risultati sperimentali e tuttora permangono scetticismo
e sfiducia in questo campo.
Uno dei principali dubbi avanzati dalla comunità scientifica,
è legato proprio al tipo di reazione di fusione tra i due nuclei
di Deuterio. Infatti, in esperimenti analoghi condotti in condizioni
di quasi-vuoto (cioè non in presenza di materia condensata
come per il Palladio), si verifica che, nella reazione tra due nuclei
di Deuterio, si potevano ottenere 2 risultati:
1) nel
50% dei casi si ottenevano come prodotti: Neutrone + Elio-3;
2) nell'altro
50% si otteneva: Protone + Trizio;
Ma in realtà vi
era anche un altro caso, che può avvenire con una bassissima
probabilità (circa una su un milione):
3) 0,0000001%: Elio-4
+ raggi Gamma + calore (un "Minority Report"...)
Nella
stragrande maggioranza degli esperimenti sulla fusione fredda è
stata rilevata una debolissima traccia di Neutroni e di Trizio (prodotti
dei primi due casi), mentre risulta essere di gran lunga la reazione
dominante quella in cui si ha la produzione di Elio-4.
In altre parole i fisici detentori della fusione calda sostengono
che negli esperimenti di fusione fredda la produzione prevalente di
Elio-4 è un’anomalia inaccettabile in quanto ci sono
reazioni che presentano una maggiore probabilità di successo,
ma che, inspiegabilmente, non si verificano nella cella Pons-Fleischmann.
I detentori della fusione fredda giustificano il riscontrarsi di questa
anomalia basandosi sulle differenti condizioni che si hanno conducendo
esperimenti nel vuoto ed esperimenti all’interno di matrici
critalline.
Un ulteriore motivo di polemica scaturisce dal fatto che la produzione
di Elio-4 non è accompagnata dall'emissione di raggi gamma,
cosa che invece avviene nella fusione "calda".
Ad oggi tuttavia, il vero nodo della polemica, più che basarsi
su disquisizioni fenomenologiche meramente accademiche, si basa sulla
mancata riproducibilità di questo genere di esperimenti.
In pratica, gli effetti
descritti quali eccessi energetici ed emissioni
di particelle e radiazioni non si presentano sempre, ma solo
al verificarsi di specifiche condizioni, comprese quasi del tutto
ma non ancora al 100%. Arrivare a capire gli ultimi ingredienti della
“ricetta" risulta di fondamentale importanza,sia per le
applicazioni tecnologiche, ma ancor più per una definitiva
comprensione del fenomeno.
Nonostante questo problema sperimentale, in fase di risoluzione, da
un punto di vista teorico numerosi successi sono stati ottenuti nella
comprensione dell’origine dei meccanismi alla base degli effetti
dei fenomeni di “fusione fredda".
L'"effetto
Preparata"
Una delle teorie più solide e coerenti da un punto di vista
fisico fu enunciata da un docente di Fisica Nucleare dell'Università
di Milano, prof.Giuliano Preparata, che elaborò la sua "teoria
coerente sulla fusione fredda". Tale teoria si basa sull'elettrodinamica
quantistica (QED) nella materia condensata. Secondo la
fisica quantistica, la materia consiste in un insieme numerosissimo
di sistemi elementari (come atomi, molecole, ecc.) tenuti insieme
da forze elettrostatiche, come la forza di Coulomb, e da altre forze
fondamentali, caratterizzate da un cortissimo raggio d'azione: le
forze elettrodinamiche. Tali campi quantistici, secondo Preparata,
se messi in condizioni di risonanza col campo elettromagnetico, hanno
la caratteristica di esercitarsi a grandi distanze e pur essendo deboli
fra due corpi, suppliscono a tale limitazione con enormi fattori di
amplificazione dovuti a tale natura cooperativa (o coerente).
Preparata con questa interpretazione affiancò tali forze all'analisi
teorica della elettrodinamica quantistica all’interno della
materia condensata riuscendo a giustificare l’origine dei risultati
sperimentali di Fleischmann e Pons e, in molti casi, a fare previsioni
corrette sui risultati da ottenere.
Nonostante tutti questi sforzi tuttavia, per poter fugare qualsiasi
dubbio nella comunità si attende la presentazione di un dispositivo
in grado di fornire una potenza adeguata, almeno ad un uso domestico,
che funzioni con continuità sfruttando il fenomeno in maniera
totalmente riproducibile.
V.I.
Roy V.
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