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Estrazione della luna
All'inizio del 21° secolo, pochi avrebbero previsto che entro il 2007 sarebbe iniziata una seconda corsa per la luna. Eppure i segni sono che ora è così. Inoltre, nella corsa alla luna di oggi, a differenza di quella che ha avuto luogo tra gli Stati Uniti e l'URSS negli anni '60, sono in competizione un elenco completo di potenze globali del 21° secolo, tra cui Cina e India.
Gas caldi: I ricercatori del Fusion Technology Institute dell'Università del Wisconsin-Madison stanno testando questo reattore a fusione, mostrato con una vista della griglia in cui avviene il confinamento elettrostatico interno.
Ancora più sorprendente è che uno dei motivi di gran parte dell'interesse sembra essere il progetto di estrarre elio-3, presumibilmente un combustibile ideale per i reattori a fusione ma quasi non disponibile sulla Terra, dalla superficie della luna. La Vision for Space Exploration della NASA prevede che gli astronauti statunitensi tornino sulla luna nel 2020 e che dispongano permanentemente di una base lì entro il 2024. Sebbene l'agenzia spaziale statunitense non abbia né annunciato né negato alcun desiderio di estrarre l'elio-3, ha comunque posto i sostenitori di estrarre He3 in posizioni influenti. Da parte sua, la Russia sostiene che l'obiettivo di ogni suo programma lunare – per quel che vale, la società missilistica Energia di recente ha iniziato a sparlare, in stile sovietico, che costruirà un base lunare permanente entro il 2015-2020, estrarrà He3.
Anche i cinesi, a quanto pare, credono che l'elio-3 proveniente dalla luna possa consentire impianti di fusione sulla Terra. Questo autunno, la Repubblica popolare prevede di orbitare attorno a un satellite intorno alla luna e di farvi atterrare un veicolo senza equipaggio nel 2011.
Né l'India intende essere esclusa. (Vedi India's Space Ambitions Soar .) La scorsa primavera, il suo presidente, A.P.J. Kalam e il suo primo ministro, Manmohan Singh, hanno tenuto importanti discorsi affermando che, oltre a costruire giganteschi collettori solari in orbita e sulla luna, la più grande democrazia del mondo intende anche estrarre He3 dalla superficie lunare. Sonda indiana, Chandrayaan-1 , decollerà il prossimo anno e ISRO, l'organizzazione indiana per la ricerca spaziale, sta parlando di inviare Chandrayaan-2 , un rover di superficie, nel 2010 o 2011. Allo stesso tempo, Giappone e Germania stanno anche facendo rumore sul lancio delle proprie missioni lunari in quel periodo e parlano della possibilità di estrarre He3 e riportarlo per alimentare reattori nucleari a fusione su Terra.
Potrebbe He3 dalla luna essere davvero una soluzione fattibile per le nostre esigenze energetiche sulla Terra? Oggigiorno si prevede che la fusione nucleare pratica sia lontana cinque decenni, la stessa previsione fatta alla conferenza Atoms for Peace del 1958 a Bruxelles. Se la data di arrivo dell'energia da fusione è rimasta costantemente lontana 50 anni dal 1958, perché l'elio-3 dovrebbe improvvisamente rendere più fattibile l'energia da fusione?
I sostenitori della fusione a base di He3 sottolineano il fatto che gli attuali sforzi per sviluppare la generazione di energia basata sulla fusione, come il ITER megaproject, utilizzare il ciclo del combustibile deuterio-trizio, che è problematico. (Vedi International Fusion Research .) Il deuterio e il trizio sono entrambi isotopi di idrogeno e quando vengono fusi in un plasma surriscaldato, due nuclei si uniscono per creare un nucleo di elio, costituito da due protoni e due neutroni, e un neutrone ad alta energia . Una reazione di fusione deuterio-trizio rilascia l'80% della sua energia in un flusso di neutroni ad alta energia, che sono altamente distruttivi per qualsiasi cosa colpiscano, compreso il recipiente di contenimento di un reattore. Poiché il trizio è altamente radioattivo, ciò rende il contenimento un grosso problema poiché le strutture si indeboliscono e devono essere sostituite. Pertanto, qualunque materiale venga utilizzato in una centrale elettrica a fusione di deuterio-trizio dovrà subire gravi punizioni. E se questo è possibile, quando il reattore a fusione sarà infine dismesso, ci saranno ancora molti rifiuti radioattivi.
I sostenitori dell'elio-3 affermano che, al contrario, non sarebbe radioattivo, ovviando a tutti questi problemi. Ma un critico serio ha affermato che in realtà la fusione a base di He3 non è nemmeno un'opzione fattibile. Nel numero di agosto di Mondo della fisica , il fisico teorico Frank Close, a Oxford nel Regno Unito, ha pubblicato un articolo intitolato Paure per i factoidi in cui, tra l'altro, riassume alcune affermazioni degli appassionati di elio, poi liquida quelle affermazioni come essenzialmente di fantasia.
Close sottolinea che in un tokamak, una macchina che genera un campo magnetico a forma di ciambella per confinare i plasmi surriscaldati necessari per la fusione, il deuterio reagisce fino a 100 volte più lentamente con l'elio-3 rispetto al trizio. In un plasma contenuto in un tokamak, Close sottolinea, tutti i nuclei del carburante si mescolano insieme, quindi la cosa più probabile è che due nuclei di deuterio si fonderanno rapidamente e produrranno un nucleo di trizio e un protone. Quel trizio, a sua volta, si fonderà probabilmente con il deuterio e alla fine produrrà un atomo di elio-4 e un neutrone. In breve, dice Close, se l'elio-3 viene estratto dalla luna e portato sulla Terra, in un tokamak standard il risultato finale sarà comunque la fusione deuterio-trizio.
In secondo luogo, Close respinge l'affermazione che due nuclei di elio-3 potrebbero realisticamente fondersi l'uno con l'altro per produrre deuterio, una particella alfa ed energia. Quella reazione avviene ancora più lentamente della fusione deuterio-trizio, e il combustibile dovrebbe essere riscaldato a temperature impraticabili - sei volte il calore dell'interno del sole, secondo alcuni calcoli - che sarebbe al di fuori della portata di qualsiasi tokamak. Quindi, conclude Close, la storia del lunare-elio-3 è, a mio avviso, chiaro di luna.
L'obiezione di Close, tuttavia, presuppone che la fusione deuterio-elio-3 e la fusione elio-3 puro avverrebbero in reattori basati su tokamak. Potrebbero esserci delle alternative: ad esempio, Gerald Kulcinski , professore di ingegneria nucleare presso l'Università del Wisconsin-Madison, ha mantenuto l'unico reattore a fusione di elio-3 al mondo con un budget annuale di appena sei cifre.
Il reattore a fusione a base di He3 di Kulcinski, situato nel Fusion Technology Institute dell'Università del Wisconsin, è molto piccolo. Quando è in funzione, contiene un plasma sferico di circa 10 centimetri di diametro che può produrre una fusione prolungata con 200 milioni di reazioni al secondo. Per produrre un milliwatt di potenza, purtroppo, il reattore consuma un kilowatt. La risposta di Close è, quindi, abbastanza valida: quando si verifica una fusione pratica con una potenza netta dimostrata, io e la comunità mondiale della fusione possiamo prenderne atto.
Tuttavia, tale critica si applica allo stesso modo a ITER e allo sforzo del reattore basato sul tokamak, che non ha ancora raggiunto il pareggio (il punto in cui un reattore a fusione produce tanta energia quanta ne consuma). L'aspetto significativo del reattore in Wisconsin è che, come dice Kulcinski, stiamo facendo sia reazioni deuterio-He3 che He3-He3. Eseguiamo reazioni di fusione deuterio-He3 ogni giorno, quindi abbiamo molta familiarità con quella reazione. Stiamo anche facendo He3-He3 perché se possiamo controllarlo, avrà un potenziale immenso.
Il reattore del Fusion Technology Institute utilizza una tecnologia chiamata confinamento elettrostatico inerziale (CEI). Kulcinski spiega: Se usassimo un tokamak per fare deuterio-elio-3, dovrebbe essere più grande del dispositivo ITER, che sta già estendendo i limiti della credibilità. I nostri dispositivi IEC, d'altra parte, sono delle dimensioni di un tavolo e durante le nostre corse deuterio-He3, otteniamo alcuni neutroni prodotti dalla reazione laterale con il deuterio. Tuttavia, continua Kulcinski, quando si verificano reazioni collaterali che coinvolgono due nuclei di deuterio che si fondono per produrre un nucleo di trizio e un protone, il trizio prodotto è a un livello di energia così alto rispetto al sistema di confinamento che sfugge immediatamente. Di conseguenza, la radioattività nel nostro sistema deuterio-He3 è solo il 2% della radioattività in un sistema deuterio-trizio.
Più significativa è la reazione di fusione He3-He3 che Kulcinski e i suoi assistenti producono con il loro reattore basato su IEC. Nel reattore di Kulcinski, due nuclei di elio-3, ciascuno con due protoni e un neutrone, si fondono invece per produrre un nucleo di elio-4, composto da due protoni e due neutroni, e due protoni altamente energetici.
He3-He3 non è una reazione facile da promuovere, afferma Kulcinski. Ma la fusione He3-He3 ha il potenziale maggiore. Questo perché l'elio-3, a differenza del trizio, non è radioattivo, il che, in primo luogo, significa che il reattore di Kulcinski non ha bisogno dell'enorme contenitore di contenimento richiesto dalla fusione deuterio-trizio. In secondo luogo, i protoni che produce, a differenza dei neutroni prodotti dalle reazioni deuterio-trizio, possiedono cariche e possono essere contenuti utilizzando campi elettrici e magnetici, che a loro volta si traducono nella generazione diretta di elettricità. Kulcinski afferma che uno dei suoi assistenti laureati presso il Fusion Technology Institute sta lavorando su un dispositivo a stato solido per catturare i protoni e convertire la loro energia direttamente in elettricità.
Tuttavia, il reattore di Kulcinski dimostra solo la fattibilità teorica e i vantaggi della fusione He3-He3, con la fattibilità commerciale che si trova decenni nel futuro. Attualmente, dice, il Dipartimento dell'Energia ci dirà: 'Faremo funzionare la fusione. Ma non tornerai mai sulla luna, e questo è l'unico modo per ottenere enormi quantità di elio-3. Quindi dimenticalo.' Nel frattempo, la gente della NASA ci dice: 'Possiamo ottenere l'elio-3. Ma non riuscirai mai a far funzionare la fusione'. Quindi il DOE non pensa che la NASA possa fare il suo lavoro, la NASA non pensa che il DOE possa fare il suo lavoro, e stiamo cercando di far lavorare insieme i due. In questo momento, il finanziamento di Kulcinski proviene da due individui facoltosi che, dice, sono interessati solo alla ricerca e senza aspettative di profitto finanziario.
Nel complesso, quindi, l'elio-3 è non il frutto basso tra i potenziali combustibili per creare un potere di fusione pratico, ed è quello che dovremo raggiungere la luna per cogliere. Detto questo, se la pura potenza di fusione a base di He3 fosse realizzabile, avrebbe immensi vantaggi.