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La fusione fredda si sta riscaldando?
Quindici anni dopo che le prime controverse affermazioni hanno fatto notizia, la fusione fredda si rifiuta di morire. Un piccolo gruppo di sostenitori irriducibili sostiene che gli esperimenti ora producono risultati coerenti. L'establishment della fisica continua a deridere, ma alcuni scienziati che hanno osservato attentamente il campo sono convinti che stia accadendo qualcosa di reale. E ora il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha deciso che i risultati recenti giustificano uno sguardo nuovo sulla fusione fredda.
La fusione dei nuclei degli atomi di idrogeno alimenta il sole e promette energia quasi illimitata sulla Terra. Ma la fusione è straordinariamente difficile da domare perché i nuclei si respingono fortemente. Il tremendo calore e la pressione all'interno del sole possono sopraffare questa repulsione e le bombe termonucleari possono raggiungere quelle condizioni, fugacemente, sulla Terra. Ma costruire un reattore a fusione in grado di convertire quel tremendo calore in energia utile ha rappresentato una sfida immensa. Dopo decenni di ricerca, le condizioni necessarie per la fusione possono ancora essere raggiunte solo brevemente e queste reazioni sperimentali di fusione producono meno energia di quella necessaria per accenderle.
I fisici rimasero sbalorditi quando due elettrochimici dell'Università dello Utah, Stanley Pons e Martin Fleischmann, affermarono nel 1989 di aver raggiunto la fusione nucleare a temperatura ambiente. Il loro esperimento ha impacchettato il deuterio, l'isotopo pesante stabile dell'idrogeno, in elettrodi di palladio. Dopo molte ore di funzionamento, hanno riferito che è stato generato più calore di quanto avrebbe potuto produrre una reazione puramente chimica. All'inizio sembrava che Pons e Fleischman avrebbero potuto escogitare un modo rivoluzionariamente semplice per sfruttare l'energia di fusione, e i laboratori di tutto il mondo si sono precipitati a provare l'esperimento da soli. L'esperimento dall'aspetto semplice si dimostrò virtualmente impossibile da riprodurre, tuttavia, e in poche settimane la maggior parte dei fisici definì la fusione fredda un errore, un risultato sperimentale che contraddiceva le leggi fisiche conosciute.
Eppure il potenziale dell'energia illimitata ha attirato una banda di aspiranti rivoluzionari che hanno continuato a lavorare sul problema. Spesso non trovavano nulla. A volte, tuttavia, i loro esperimenti sembravano produrre più energia di quanto si aspettassero dalle reazioni chimiche; altre volte hanno rilevato tracce di potenziali prodotti della reazione di fusione, suggerendo che potrebbero essere all'opera alcuni effetti fisici precedentemente sconosciuti.
Le prove per la nuova fisica si stanno accumulando da anni, afferma Peter Hagelstein, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT, che ha presieduto la decima Conferenza internazionale sulla fusione fredda a Cambridge lo scorso agosto. Gli esperimenti eseguiti in condizioni adeguatamente controllate producono in modo affidabile più calore di quanto previsto dalla teoria standard. I prodotti nucleari si presentano nelle quantità giuste per spiegare questo eccesso di calore. Sono emersi modelli che spiegano anomalie precedenti. Quando Hagelstein ha visto come i pezzi del puzzle si stavano mettendo insieme durante la riunione di agosto, ha esortato il Dipartimento dell'Energia a riconsiderare un campo che era stato escluso dalla scienza ortodossa subito dopo la sua nascita.
Negli ultimi 15 anni, gli appassionati hanno prodotto circa 3.000 manoscritti sulla fusione fredda, ma pochissimi sono stati pubblicati su riviste scientifiche. Molti risultati sono evaporati sotto esame esterno e i promotori hanno promosso schemi di energia libera che suonavano più come il moto perpetuo che la fisica. La maggior parte di quei manoscritti non sono utili, dice Hagelstein, un teorico con interessi di vasta portata in ottica, energia e fisica nucleare. Ma circa 50 mostrano effetti interessanti e riproducibili. L'effetto del calore è stato replicato molte volte, Hagelstein. Funziona solo quando il deuterio viene caricato nelle celle di palladio, e mai quando viene utilizzato il normale idrogeno al posto dell'isotopo pesante. Misure rigorose con strumenti di misurazione del calore hanno risposto alle critiche degli esperimenti originali. Il calore in eccesso è stato misurato oltre ciò che Hagelstein considera ogni ragionevole dubbio.
Esperimenti che producono calore in eccesso hanno anche prodotto elio-4, un potenziale prodotto della fusione di due nuclei di deuterio, in quantità correlate con il calore in eccesso. La teoria prevede che la reazione di fusione dovrebbe generare 24 milioni di elettronvolt (MeV) di energia per nucleo di elio-4. Un'analisi di Michael McKubre di SRI International ha rilevato un'energia di 31 MeV, una corrispondenza all'interno dell'incertezza sperimentale di più o meno 13 MeV. Gli scettici avevano dubitato che la reazione fosse possibile, ma Hagelstein afferma che l'analisi degli esperimenti di McKubre, riportata all'incontro sulla fusione fredda dell'anno scorso, mostra che la fusione di due deuterio per produrre elio-4 non è così folle come sembrava inizialmente.
McKubre ha anche scoperto che l'apparente incoerenza nella produzione di calore sperimentale derivava dalle differenze nella quantità di deuterio contenuto nell'elettrodo di palladio. Ogni volta che il numero di atomi di deuterio caricati nel metallo corrispondeva o superava il numero di atomi di palladio, veniva generato calore in eccesso. Il palladio caricato con una quantità leggermente inferiore di deuterio produceva risultati incoerenti e se il livello di deuterio veniva ridotto di una grande quantità, non veniva prodotto alcun calore in eccesso. Il carico di deuterio era difficile da controllare e limitato dalla forza del metallo. Sfortunatamente, la forza del palladio è difficile da prevedere o controllare e non viene migliorata dalla purificazione; infatti, il palladio più puro si rompeva a carichi inferiori e la resistenza più elevata si osservava solo in un lotto impuro.
Le prove crescenti hanno convinto il fisico della fusione George Miley dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che si stanno verificando importanti fenomeni fisici. Gli scettici non stanno cambiando idea, ma pensa che gli osservatori precedentemente neutrali stiano diventando più ricettivi alla possibilità che si verifichi un fenomeno reale in questi esperimenti. Eppure, mentre i ricercatori sulla fusione fredda sono passati dal pensare di sentire l'odore del fumo alla sensazione di calore, non è ancora chiaro cosa stia realmente accadendo. Questo campo è condotto sperimentalmente. Dobbiamo portare le teorie fino al punto in cui iniziano ad aiutare a condurre gli esperimenti, dice Miley.
La sfida per teorici come Hagelstein è colmare il divario enorme tra la teoria nucleare tradizionale e gli esperimenti sulla fusione fredda. Sospetta che la difficoltà risieda in un'approssimazione molto potente alla radice di 70 anni di fisica nucleare: tutte le interazioni nucleari avvengono tra due particelle nel vuoto. Pensa che l'ipotesi si sfaldi nella fusione fredda, dove le particelle interagenti sono strettamente impacchettate in un reticolo metallico. La sua idea è che i nuclei di deuterio scambino energia vibrazionale, o fononi, con gli atomi di palladio circostanti. Questo scambio potrebbe migliorare le interazioni nucleari che altrimenti sarebbero incredibilmente piccole, in modo che le reazioni possano avvenire alle velocità implicite negli esperimenti di fusione fredda. La teoria di Hagelstein è ancora in fase di sviluppo, ma sta raggiungendo un punto in cui può iniziare a fare previsioni verificabili, un passo fondamentale per rendere la fusione fredda una scienza credibile. Con il tempo, si spera, riusciremo a risolvere meglio il puzzle, dice.
Una revisione positiva del Dipartimento dell'Energia aprirebbe la porta a un supporto alla ricerca assolutamente necessario, ma rimangono grandi domande anche se la realtà della fisica può essere stabilita. L'effetto della fusione fredda è abbastanza forte da essere utilizzato per la produzione pratica di energia? Se lo è, non è in grado di competere direttamente con la fusione a caldo, afferma Miley, che lavora su entrambi. La fusione fredda funziona su piccola scala, quindi potrebbe trovare una casa in piccole unità di potenza distribuite. La casa naturale della fusione calda è all'interno del sole; se può essere controllato sul nostro pianeta, sarebbe all'interno di grandi reattori che alimentano la rete.
Ma questi obiettivi sono molto lontani. Per ora, la piccola comunità di ricercatori sulla fusione fredda spera di essere alle soglie della convalida dopo 15 anni di lotta.