Trasmutazioni nucleari a bassa energia: la fusione fredda

di Orazio Mainieri *

La fusione fredda (o fusione nucleare fredda o fusione a freddo - in inglese: cold fusion) è la definizione generalmente usata per indicare reazioni nucleari prodotte a temperature e pressioni molto ridotte in confronto a quelle utilizzate per creare la fusione nucleare calda(come nel Sole). 

Ultimamente si tende ad usare sempre più spesso il termine LENR (Low Energy Nuclear Reactions), poiché molti degli esperimenti effettuati nel campo rientrano nel settore delle reazioni nucleari a bassa energia. I pionieri della Cold Fusion sono i ricercatori Martin Fleischmann e Stanley Pons, che nel 1989 suscitarono molto scalpore con una conferenza stampa dove annunciarono di essere riusciti ad ottenerla. Queste nuove teorie suscitarono interesse anche in Italia, dove furono riprese inizialmente da Giuliano Preparata(Padova, 10 marzo1942 – Frascati, 24 aprile 2000), docente di fisica nucleare all'Università di Milano che elaborò la sua "teoria coerente sulla fusione fredda".  Sin dagli inizi, però, le teorie sull'ottenimento di energia tramite fusione fredda hanno incontrato molte perplessità, discussioni e scetticismo. I suoi sostenitori sono convinti che si possano ottenere gli stessi risultati della fusione calda, ma con un dispendio estremamente minore di costi ed energia grazie allo sfruttamento di una poco chiarita azione da parte di un catalizzatore, quale ad esempio il palladio. Il procedimento tramite cui questo è possibile (a dire il vero non  ancora del tutto chiarito) comprende l'utilizzo di questo catalizzatore, che svolgerebbe la funzione di avvicinare i nuclei di deuterio e trizio a distanze tali da scatenare la fusione e creare energia. Nel tempo si sono sviluppate diverse tecnologie per ottenere la fusione nucleare fredda. Sempre nel 1989, Francesco Piantelli (biofisico presso l'Universita' degli Studi di Siena), riscontrò una inaspettata produzione di calore durante un esperimento su campioni dimateriale organico. Di comune accordo con Sergio Focardi (fisico presso l'Università di Bologna), decisero di creare un team per capire la provenienza di tale reazione. I risultati ottenuti consentirono di costruire nel giro di tre anni un reattore nichel-idrogeno. Gli studi non si fermarono, e dopo altri due anni, nel febbraio del 1994, nel corso di una conferenza stampa tenutasi nell'aula magna dell'Università di Siena, venne resa pubblica la creazione di un innovativo processo di produzione di energia tramite Reazioni Nucleari a Bassa Energia (comunemente chiamate LENR). L'uso della terminologia è particolarmente importante in questo caso, poiché Focardi e Piantelli sottolinearono come il loro metodo differiva profondamente da quello precedentemente ideato da Fleischmann e Pons (ossia tramite la fusione fredda). Infatti, Focardi e Piantelli sostennero che nel loro processo potrebbero verificarsi reazioni di tipo nucleare ancora sconosciute, molto probabilmente senza elementi comuni a quelli presenti nella cella con  deuterio e palladio di Fleischmann e Pons. 

Il procedimento Piantelli-Focardi consisteva nel mantenere una barra di nichel ad una temperatura di circa 200-400 °C  tramite una resistenza elettrica, e caricata con idrogeno attraverso un procedimento particolare (i dettagli del protocollo sono descritti in diverse pubblicazioni di Piantelli e Focardi). La prova di una possibile origine nucleare del fenomeno è costituita dall'emissione (anche discontinua o debole) di raggi gamma dalla barretta di nichel che, una volta innescata la reazione, emette più energia di quanto ne servirebbe per il suo stesso riscaldamento. A riprova della loro tesi gli autori pubblicarono diversi articoli in merito. 

Nel 1996 i ricercatori del CERN di Ginevra, sotto la guida di Antonino Zichichi, hanno provato a replicare l'esperimento, e la loro conclusione non ha confermato la tesi di una natura nucleare del fenomeno. Passiamo alle ricerche dell'Enea(acronimo dell'Ente per le nuove Tecnologie, l'Energia e l'Ambiente)su questo argomento. I ricercatori dell’ Enea hanno redatto nel 2002 un dossier molto approfondito: il rapporto 41, che attestò nero su bianco l’over-unit energetica prodotta dalla fusione fredda di Fleischmann e Pons, con il ricavo di più energia di quanta ne veniva consumata per innescare e mantenere in funzione il processo. Vennero anche verificati l’effettiva trasmutazione della materia e dunque che fosse avvenuta realmente una reazione nucleare.Nonostante questo, i risultati della clamorosa indagine scientifica caddero rapidamente nel dimenticatoio mediatico per essere definitivamente insabbiati dai più alti responsabili dello stesso Enea. Il team di studiosi composto da Antonella De Ninno, Emilio del Giudice e Antonio Frattolillo, si vide togliere improvvisamente dalle mani il progetto su cui stavano lavorando con ottimi risultati, senza ottenere alcun tipo di riconoscimento. Lo scopo del test era quello di verificare se, in accordo con la teoria elaborata dal prof. Giuliano Preparata, si trattava realmente di un processo di natura nucleare e se vi era il guadagno energetico misurato da Fleischman e Pons. La richiesta di fare chiarezza sulla fusione fredda proveniva dal premio Nobel Carlo Rubbia che poi si disinteresso stranamente degli esiti della ricerca. I risultati ottenuti da tutti questi ricercatori italiani dell'Enea furono interessanti, ma non vi fu un seguito concreto. Probabilmente l’Enea avrà agito per difendere parte dei suoi stessi interessi, per evitare di raccogliere un fallimento a livello internazionale per via di un progetto che richiedeva troppi anni per cominciare a dare i suoi frutti nonostante i modesti mezzi da impiegare per continuare la ricerca.  Così si è lasciato ad altri il rischio della sperimentazione e dell'eventuale fallimento delle ricerche. Nel maggio 2008  Yoshiaki Arata, uno dei padri della fusione nucleare calda nipponica, insieme alla collega Yue-Chang Zhang, ha mostrato pubblicamente ad Osaka un reattore funzionante con pochi grammi di palladio. Ora se il successo di questi esperimenti sia dovuto alla fusione fredda o piuttosto ad una forma ancora non conosciuta di sviluppo di energia, è oggetto di controversie. Si vedrà.  Passiamo all'anno 2011. Entrano in campo altri soggetti che portano all'attenzione del pubblico altri esperimenti come l'E-Cat dell'Ing. Andrea Rossi(esperimenti iniziati nel 2007). Devo premettere che SE la scoperta fosse vera e quindi ci fosse la possibilità di avere grosse quantità di energia a poco prezzo, avremmo  una vera rivoluzione. Si potrebbe realizzare il sogno del grande scienziato serbo  Nicola Tesla (Smiljan, 10 luglio 1856 – New York, 7 gennaio 1943)  e cioè avere energia, a poco prezzo,  per tutti. Ma andiamo avanti. Giuseppe Levi, fisico nucleare dell' INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)ha ipotizzato che l'apparecchio presentato  a Bologna dall'Ing. Andrea Rossi, indicato come "Catalizzatore di Energia" o E-Cat, possa  funzionare grazie ad un procedimento simile alla fusione fredda con Nichel e Idrogeno. La macchina  presentata da Andrea Rossi, negli aspetti resi  noti, sembra  funzionare in maniera del tutto simile a quella creata da Piantelli e Focardi, anche se buona parte dei dettagli del funzionamento sono tenuti tuttora segreti da Rossi per motivi di  assenza del brevetto e relativa  protezione della proprietà industriale. A livello internazionale, infatti, il brevetto non è stato  ancora ottenuto, ma in Italia ne è stato  rilasciato uno nell'aprile del 2011. Nel marzo del 2011, alla presenza di prestigiosi ricercatori di fama internazionale come Sven Kullander (professore emerito presso l'Università di Uppsala) e Hanno Essén (professore associato di fisica teorica e docente presso il Royal Institute of Technology svedese), si è svolta una dimostrazione del funzionamento dell'E-cat  riempendo il reattore con idrogeno a una pressione di circa 25 bar. Il reattore, secondo Rossi, era caricato, anche, con 50 grammi di polvere di nickel.  A conclusione dell'esperimento i due illustri studiosi hanno affermato che nessun procedimento chimico avrebbe potuto generare tali quantità di energia. Altre dimostrazioni si sono tenute nell'aprile del 2011. Quindi, riassumendo, nel caso dell‘ E-Cat il fenomeno energetico si produce a partire da un riscaldamento del nucleo del dispositivo. Il calore fornito dall’ esterno serve ad innescare la reazione nel sistema nichel, in polvere nano metrica, e idrogeno in gas a pressione, più qualcosa ancora, al momento segreta, contenuto nel nucleo. Questo modesto calore iniziale viene dato da una semplice resistenza elettrica, che fornisce una temperatura al nucleo del reattore dell’ E-Cat dell’ ordine di solo qualche centinaio di gradi Celsius. L'E-Cat produce l'energia da reazioni LENR che utilizzano, quindi, il nichel e l'idrogeno per dare, come sottoprodotto, rame in forma stabile e, soprattutto, raggi gamma di bassa energia, dunque facilmente schermabili (e pertanto non pericolosi) ed in grado di riscaldare il reattore, che può in teoria auto sostenersi. Queste reazioni sono esotermiche, il che significa che producono energia in eccesso: il contenuto energetico del rame, infatti, è inferiore al contenuto energetico del solo nichel e idrogeno messi insieme.  E' chiaro che si parla di fusione fredda, ma solo perché quella calda avviene alle temperature del sole. Infatti la temperatura, in questo reattore, può anche arrivare a valori più alti di qualche centinaio di  °C, ma sempre limitati. Nel caso di questo processo, però, non si ha assolutamente la produzione di radioattività pericolosa e nociva, ma solo come detto, di raggi gamma a bassa intensità, facilmente schermabili con del piombo, e quindi resi assolutamente innocui, ma sufficiente a riscaldare l'acqua di un circuito che attraversa l'E-Cat. Il COP va da 6 in su. Il coefficiente di prestazione (COP) è un'espressione usata per l'efficienza di una pompa di calore, ma può essere usata anche in questo caso per dire che la potenza termica in uscita dall'E-Cat è almeno 6 volte superiore all'energia in entrata per attivare la fusione. La similitudine finisce qui. In media l'energia elettrica assorbita in un'ora da un E-Cat da 1 MW termico alimentato elettricamente è di 0,167 MWh, mentre quella prodotta è di 1 MWh. In un giorno esse salgono, rispettivamente a 4 MWh elettrici assorbiti e 24 MWh termici prodotti. Ad oggi la Prometeon Srl è l’unica licenziataria italiana dell'invenzione dell'E-Cat. Questa Società ha, quindi, l’esclusiva per l’Italia dellavendita dell’E-Cat. I programmi del licenziatario: si è previsto che la prima generazione di E-Cat industriali potrà fornire calore sotto forma di acqua calda o vapore fino a 120 °C, con alimentazione elettrica oppure direttamente a gas (molto più conveniente). La seconda generazione di E-Cat industriali(potenza nominale uguale a 1 MW termico), in fase di sviluppo avanzato, potrà fornire calore fino ad alte temperature (almeno 600°C) e dunque sarà utilizzabile, volendo, anche per produrre energia elettrica (eventualmente in cogenerazione) accoppiando il generatore termico a una turbina. La prima generazione, invece, di prodotti domestici non sarà disponibile sul mercato europeo prima della primavera 2015, dopo il rilascio della necessaria certificazione da parte degli organismi competenti. Problema “combustibile”. Il combustibile sarebbe contenuto in cartucce facili da sostituire, che ricordano per molti versi il toner di una stampante laser. Ogni singolo modulo dell'E-Cat sarà dotato della sua cartuccia, nella quale oltre al combustibile sarà contenuto il reattore stesso, per cui gli eventuali suoi perfezionamenti verranno implementati al cambio-cartuccia con il più facile degli upgrade. La durata minima di una cartuccia, in caso di utilizzo h24 dell'E-Cat, dovrebbe essere di 6 mesi, pertanto negli apparecchi industriali ne sarà prevista la sostituzione due volte l'anno. Negli E-Cat industriali, la sostituzione delle cartucce avverrebbe contestualmente alla manutenzione ordinaria programmata, e non sarà necessario prevedere alcun "fermo macchina": infatti, quando un singolo modulo E-Cat verrà disattivato per permettere la sostituzione, verrà attivato un modulo "dormiente" che lo sostituirà. Analogamente, se uno dei moduli esaurisse il combustibile prima del previsto, se ne attiverebbe uno dormiente per garantire sempre il 100% della potenza nominale. Problema sicurezza. Se la reazione va fuori controllo, la temperatura all'interno del reattore sale oltre i valori normali di funzionamento. Quando nel reattore si raggiunge una temperatura eccessivamente elevata, si ha la fusione della polvere di nichel contenuta nel reattore stesso, che in pratica diventa liquida, arrestando di conseguenza la reazione, che per avvenire necessita di nichel in polvere. Pertanto, l'E-Cat godrebbe di una sicurezza intrinseca, cui si aggiungono naturalmente altri sistemi di controllo attivi e passivi. Inoltre, il certificatore, ha proibito l'uso diretto dell'energia termica prodotta dall'E-Cat per auto sostenere il reattore evitando “ritorni” pericolosi. Per la Ditta fornitrice(vedi sito internet), nel caso di un E-Cat elettrico stand-alone, il tempo di rientro dell'investimento per una centrale elettrica che sfrutti questo tipo di tecnologia sarebbe di 3-4 anni al massimo, mentre nel caso di un E-Cat termico,alimentato elettricamente e utilizzato per gran parte dell'anno, il tempo di rientro sarebbe di 3-5 anni. Tutti dati da verificare, ovviamente, sul campo. Il dispositivo creato da Rossi sembrerebbe, attualmente, il modo più economico per produrre energia  senza creareinquinamento. Mi preme evidenziare l’uso del condizionale. Bisogna sempre sottolineare, per completezza, che questo tipo di fenomeni non sono ancora completamente compresi, specialmente usando le categorie della fisica così come la conosciamo oggi, anzi, questa fisica, al momento, non li considererebbe neppure possibili, in queste condizioni operative di temperature relativamente basse  A noi, per il momento, basta che l’ E-Cat funzioni, che sia sicuro, e che ci dia energia, economica e pulita! Ci sarà tempo in seguito per studiare e capire più a fondo il fenomeno fisico, magari grazie ad un nuova fisica dell’ energia. A questo punto dobbiamo solo aspettare senza farci particolari illusioni. Penso infatti che se il sistema funziona bene, prima o poi, sfonderà nel mercato energetico. Non credo a possibili teorie complottistiche che possano bloccare una scoperta veramente valida. Comunque le ricerche, in questo campo, vanno avanti e noi le seguiremo con attenzione, sperando che il sogno di Nikola Tesla possa diventare realtà.

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Responsabile Settore Energia di FareAmbiente