La fusione fredda riaccende i sogni di energia pulita senza plasma caldo

La fusione nucleare significa solo fusione calda?

Nuclear fusion is the Holy Grail of energy research. It would deliver massive amounts of clean energy, producing no nuclear waste or carbon emissions, while using a fuel so abundant that it makes up the majority of matter in the universe.

È anche incredibilmente difficile da realizzare, semplicemente perché l’unico modo che conosciamo per far avvenire la fusione nucleare è replicare le condizioni all’interno delle stelle, con pressioni e temperature inimmaginabili nell’ordine delle decine o centinaia di milioni di gradi.

Questo può essere ottenuto usando potenti campi magnetici per contenere e comprimere il plasma ultra‑caldo. Oppure con centinaia di potenti laser tutti sincronizzati per puntare allo stesso punto. Tuttavia, tutti questi metodi faticano a mantenere la reazione di fusione abbastanza a lungo da “rimborsare” l’energia spesa per avviare la fusione nucleare.

Fonte: IEEE

La complessità della tecnologia della fusione nucleare e il suo potenziale per risolvere il nostro problema energetico è stata discussa più in dettaglio nel nostro articolo “Fusione nucleare – La soluzione energetica pulita definitiva all’orizzonte.”

Ma se la fusione nucleare potesse avvenire in circostanze diverse, usando scienza dei materiali, metalli rari e chimica invece della fisica del plasma ad alta potenza?

Questa è la promessa della “fusione fredda”, un campo a lungo considerato non scientifico e deriso dalla comunità scientifica. Ciò è cambiato quando è stato pubblicato un articolo scientifico sulla prestigiosa rivista Nature, intitolato “Osservazione dell’emissione di neutroni durante la cavitazione acustica della polvere di titanio deuterato.”

Storia della fusione fredda

Nel 1989, i ricercatori Stanley Pons e Martin Fleischmann affermarono di aver raggiunto la fusione fredda. Sfortunatamente, anni di tentativi di replicare i risultati da parte della comunità scientifica sono finora stati infruttuosi, portando ad accuse di scienza di scarsa qualità o addirittura frode palese.

La controversia successiva ha danneggiato permanentemente l’immagine di questo concetto. Ha anche portato a una forte popolarità tra dilettanti, truffatori e “inventori” non seri, riluttanti a sottoporre la loro “scoperta” alla revisione tra pari e alla scrupolosa verifica scientifica.

È comunque ancora oggetto di ricerca da parte di un piccolo numero di scienziati, solitamente sotto i nomi meno controversi di Reazioni Nucleari a Bassa Energia (LENR), Scienza Nucleare della Materia Condensata (CMNS) o Reazioni Nucleari Assistite Chimicamente (CANR).

Un rinnovato interesse per il campo è avvenuto negli anni 2020, mentre le persone cercano di superare lo stigma della ricerca amatoriale. In particolare, l’agenzia governativa statunitense ARPA‑E ha annunciato nel 2023 una manciata di sovvenzioni per finanziare gruppi di ricerca che studiano le reazioni nucleari a bassa energia (LENR), a seguito di risultati intriganti ottenuti da ricercatori della NASA nel 2020.

Il team della NASA ha chiamato il loro metodo “fusione di confinamento reticolare”. Hanno insistito sul fatto che ciò che hanno fatto non fosse fusione fredda ma una forma speciale di fusione calda.

Tuttavia, il fatto di causare fusione senza plasma ha chiarito che la fusione nucleare può essere raggiunta in più modi di quanto si pensasse, e la vera fusione fredda potrebbe ancora essere una possibilità.

I due concetti principali per la fusione fredda

Fusione guidata dal metallo

Un metodo proposto per la fusione fredda, inizialmente suggerito da Pons & Fleischmann nel 1989, prevedeva l’uso di materiali che cambiano forma in modo da intrappolare gli atomi di idrogeno e forzarli a fondersi. Per farlo, sono stati proposti metalli infusi di idrogeno come palladio, erbio e titanio.

Il concetto generale è che assorbendo atomi di idrogeno e avvicinandoli tra loro, il reticolo metallico cambierebbe forma. E che ciò potrebbe in qualche modo facilitare la fusione degli atomi di idrogeno in elio.

Sebbene non sia completamente impossibile, i fisici sono stati scettici fin dall’inizio, poiché i livelli energetici richiesti per superare la tendenza dei nuclei di idrogeno a respingersi sono enormi.

Fusione a bolle

Un’altra idea è che la fusione nucleare possa avvenire in bolle quando collassano; ad esempio, le bolle possono formarsi nell’acqua sottoposta a ultrasuoni, un’idea talvolta chiamata sonofusione.

In teoria, le onde d’urto create dal collasso di una bolla in un liquido potrebbero essere sufficientemente potenti da causare la fusione, non molto diverso dal modo in cui le onde d’urto indotte dal laser lo fanno.

È anche noto che la cavitazione può essere una forza molto potente, per esempio, masticare con facilità il metallo delle eliche di imbarcazioni grazie alla sola forza del collasso delle bolle.

Fonte: Britannica

Un argomento di ricerca contemporaneo riguarda l’emissione di luce quando la cavità prodotta da un’onda ultrasonica ad alta intensità collassa. Questo effetto, chiamato sonoluminescenza, può creare temperature istantanee più calde della superficie del Sole.

Se la sonoluminescenza può nascere da “temperature più calde della superficie del Sole”, in teoria, lo stesso può avvenire per la fusione nucleare.

L’idea è controversa quanto la fusione fredda “classica” a reticolo, il cui principale promotore è ampiamente criticato. Ma nel 2013, il dibattito è riacceso:

Secondo un nuovo rapporto investigativo sui documenti dell’Oak Ridge National Laboratory, una scoperta molto pubblicizzata del 2002 che aveva messo in dubbio l’esperimento di fusione nucleare da tavolo è stata a sua volta messa in dubbio.

Infatti, il giornalista che ha esaminato il dump di documenti di Oak Ridge ha anche trovato possibili prove a difesa dei ricercatori coinvolti — incluso l’autore principale Rusi Taleyarkhan, ora presso la Purdue University.

Spectrum IEEE

Tuttavia, l’interesse rinnovato nel 2013 non ha prodotto molti nuovi risultati, e l’idea è tornata nella pila della storia della scienza come “sarebbe bello ma non funziona”.

La scoperta del 2024

Questo è stato fino a quando un singolo ricercatore, Max Fomitchev‑Zamilov, Presidente di Maximus Energy Corporation, negli USA, ha pubblicato il suddetto articolo scientifico su Nature.

L’azienda è specializzata nella vendita di strumenti per esperimenti di fisica nucleare, come rivelatori di neutroni, rivelatori gamma, spettrometri a raggi X, processori di impulsi digitali, analizzatori multicanale e software di spettroscopia.

Nel maggio 2024, il dott. Fomitchev‑Zamilov ha affermato di aver rilevato potenziali eventi di fusione con bolle di acqua pesante (realizzata con deuterio invece dell’idrogeno normale) mescolate a particelle di titanio.

In teoria, ciò mescolerebbe entrambi gli approcci teorizzati per la fusione fredda, con un reticolo metallico di titanio e sonofusione.

Abbiamo potuto sostenere la produzione di neutroni per diverse ore e ripetere l’esperimento più volte in varie condizioni.

Ipothizziamo che i neutroni osservati provengano dalla fusione nucleare di ioni di deuterio disciolti nel reticolo di titanio a causa dell’azione meccanica dei getti di cavitazione impattanti.

Esaminando la fusione a sonofusione reticolare fredda

I risultati dell’esperimento sono molto interessanti. Non solo il conteggio di neutroni di picco “10.000x in eccesso rispetto allo sfondo, ma si è verificato solo quando le onde acustiche secondarie interferivano costruttivamente generando picchi di pressione massicci e netti dell’ordine di qualche migliaio di psi.“

La produzione di neutroni è stata anche sostenuta per diverse ore.

Vale la pena notare che l’allestimento sperimentale è notevolmente compatto e utilizza componenti “ordinari” di rivelatori e strumenti di fisica nucleare, rendendolo relativamente facile da replicare e testare da altri ricercatori.

Fonte: Nature

A tal proposito, la disponibilità del dott. Fomitchev‑Zamilov a condividere i dati grezzi e l’allestimento sperimentale è una mossa rinfrescante in un campo spesso dominato da “ricette segrete”.

Un lento progresso

Forse più prezioso è il più ampio ammettere, nel documento pubblicato, ciò che non ha funzionato, qualcosa a cui gli appassionati di fusione fredda raramente si dedicano.

La cavitazione di bolle di deuterio in olio minerale non ha funzionato, indipendentemente dalle modifiche alle dimensioni delle bolle, all’ampiezza di pressione, alla frequenza o all’aggiunta di tensioattivi. Nemmeno le gocce di deuterio hanno funzionato.

Tali “fallimenti” sono importanti, poiché mostrano che la rilevazione di neutroni potrebbe essere semplicemente un errore o un artefatto di misura dell’allestimento sperimentale. Tuttavia, non appena hanno aggiunto particelle di titanio deuterato con acqua deuterata (acqua pesante), hanno rilevato un flusso di neutroni.

Ancora più interessante, il picco di neutroni si è verificato regolarmente, in sincronia con le onde acustiche.

Fonte: Nature

Allo stesso modo, il picco di neutroni, diverso dal rumore di fondo e da altri segnali, è chiaramente visibile quando si osserva il campione per 5 ore, per poi avviare le onde acustiche.

Fonte: Nature

Questi risultati sono stati ottenuti in modo costante più e più volte, e analizzati ulteriormente per un periodo di 6 mesi, riducendo ulteriormente la possibilità di un caso fortuito o di un caso isolato non replicabile.

Non è ancora una prova definitiva

Il documento pubblicato riconosce che la fusione fredda non è ancora l’unica spiegazione per giustificare il flusso di neutroni.

Ciò che è stato dimostrato, e costituisce una scoperta rivoluzionaria, è che con particelle di titanio deuterato + acqua deuterata + onde sonore/cavitazione, vengono emessi neutroni.

Ad esempio, le condizioni dell’esperimento potrebbero creare un fenomeno chiamato spallazione. Questo è quando un input ad alta energia (come da particelle ad alta energia) frantuma un nucleo nei suoi componenti, il che potrebbe teoricamente causare la rilevazione di neutroni.

Fonte: Springer

Quindi, sono necessarie ulteriori analisi delle reazioni, apparentemente richiedendo studi spettroscopici aggiuntivi.

Migliorare il design

Ovviamente, un altro commento da fare è che questi risultati ora devono essere replicati da altri ricercatori per essere pienamente affidabili.

Sono necessari più dati da esperimenti per capire come ottimizzare la produzione di neutroni e la potenziale reazione di fusione.

Materiali

Sappiamo da questa pubblicazione che la polvere di titanio/deuterio in olio è rimasta stabile contro decadimento e separazione per almeno 6 mesi.

Ma prima di qualsiasi discussione sull’uso pratico di tale potenziale progresso nella fusione fredda, dovremo sapere cosa viene consumato nel processo.

Meccanismi della fusione a sonofusione reticolare fredda

L’ipotesi di lavoro è che i getti di cavitazione siano la causa dei picchi di neutroni osservati e della fusione nucleare presunta.

Questi getti potrebbero “agire come pistoni che comprimono gli ioni di deuterio immagazzinati nel reticolo di titanio. In tal caso il materiale dei getti non è così importante e le gocce di H₂O dovrebbero essere efficaci quanto le gocce di D₂O”.

Oppure “i getti devono contenere ioni di deuterio e il meccanismo d’azione è quello di un fascio di ioni che colpisce un bersaglio deuterato“.

Chiarire tra le due ipotesi sarà probabilmente il prossimo passo per il dott. Fomitchev‑Zamilov.

Echi dei lavori della NASA?

Dovremmo notare che il metodo ““non‑freddo non‑plasma fusione” scoperto dagli scienziati della NASA nel 2020” utilizzava potenti elettroni per innescare una sequenza di collisioni di particelle, accelerandole sufficientemente affinché un atomo di deuterio inneschi la fusione.

Per superare quella barriera è necessaria una sequenza di collisioni di particelle. Prima, un acceleratore di elettroni accelera e colpisce elettroni contro un bersaglio vicino di tungsteno. La collisione tra fascio e bersaglio crea fotoni ad alta energia, proprio come in una macchina a raggi X convenzionale.

I fotoni sono focalizzati e diretti verso il campione carico di deuteroni di erbio o titanio. Quando un fotone colpisce un deuterone all’interno del metallo, lo divide in un protone energetico e un neutrone. Poi il neutrone collida con un altro deuterone, accelerandolo.

Potrebbe la cavitazione, già nota per creare temperature istantanee più calde della superficie del Sole a livello atomico, replicare lo stesso processo ma senza un acceleratore di particelle?

Energia pulita risolta?

Se questa scoperta fosse confermata e perfezionata, significa che abbiamo risolto la fusione nucleare? E che l’energia pulita e abbondante è solo una questione di tempo? Forse, ma manca ancora un dato cruciale: mentre sappiamo che vengono emessi neutroni, non sappiamo quanta energia il sistema sta emettendo.

Quindi, il problema che ha ostacolato finora la fusione calda, ovvero produrre più energia di quanta ne consuma, potrebbe essere un problema anche per la fusione fredda.

Un punto incoraggiante è che il dott. Fomitchev‑Zamilov sta lavorando su un banco di laboratorio, lontano da strutture come il National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti che eroga 500 trilioni di watt di potenza di picco in un unico punto tramite 192 potenti fasci laser.

Quindi, mentre l’output energetico può essere modesto, possiamo dedurre che anche l’input lo fosse.

Investire nella fusione nucleare

Come idea scientifica appena emersa da una cattiva reputazione che era praticamente un killer di carriera per qualsiasi fisico che volesse lavorarci, la fusione fredda non è affatto accessibile agli investitori oggi.

L’acqua pesante è un mercato molto piccolo, con solo 161 milioni di dollari scambiati a livello globale (e un po’ di più prodotto localmente), e il Canada è il più grande esportatore. Un fornitore privato è il gigante di attrezzature da laboratorio e consumabili Sigma‑Aldrich, parte di Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE).

Attualmente, nessuna delle aziende dedicate a rendere commercialmente viable la fusione nucleare calda è quotata in borsa. Questo include Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, e NEO Fusion.

Puoi trovare un elenco esteso di startup nello spazio della fusione nucleare nella pagina dedicata di Dealroom.

Una nota eccezione ai numerosi startup privati che dominano il campo è la società quotata in borsa Lockheed Martin Corporation (LMT ), gigante dell’industria della difesa.

1. Lockheed Martin Corporation

Fin dai primi anni 2010, Lockheed lavorava su Compact Fusion, un reattore di fusione nucleare che si prevedeva pronto entro gli anni 2020. Tuttavia, è stato annunciato che il lavoro sul progetto è stato interrotto nel 2021.

L’azienda è stata molto riservata su questo progetto dopo un annuncio iniziale molto entusiasta. Ad oggi, non è chiaro cosa possa aver spinto l’azienda ad abbandonare l’idea.

Allo stesso tempo, sembra che non abbia completamente abbandonato il concetto, in particolare con investimenti nel 2024 in Helicity, una startup che sviluppa un motore a fusione.

L’idea sarebbe di propulsare veicoli spaziali con brevi raffiche di fusione. Helicity prevede di usare un cannone al plasma, lo stesso approccio adottato da General Fusion.

Potenzialmente, i risultati interni di Lockheed hanno mostrato che il loro design non poteva sostenere la fusione in modo compatibile con la produzione di energia.

Ma forse, allo stesso tempo, brevi raffiche sono sufficienti per le esigenze di propulsione nello spazio e più vicine a diventare un prodotto reale. Sarebbe anche più in linea con il profilo complessivo dell’azienda, focalizzato su aerospazio e difesa.

2. General Fusion

General is one of the startups leading the charge in making fusion a private sector venture, instead of a publicly-funded physics project.

L’azienda è stata avviata già nel 2002 per sviluppare la tecnologia della Fusione a Target Magnetizzato (MTF).

MTF è considerata dall’azienda come un percorso più breve verso una fusione con energia positiva e molto meno costosa. General Fusion è stata la prima al mondo a costruire e mettere in servizio un iniettore di plasma a toroide compatto su scala di centrale elettrica nel 2010 e ha raggiunto molti altri traguardi da allora.

Fonte: General Fusion

L’azienda punta a raggiungere la fusione con una temperatura di 100 milioni di gradi Celsius nel 2025 e a progredire verso il pareggio energetico (ritorno positivo dalla fusione nucleare) nel 2026. Prima di ciò, è stato realizzato un modello in scala 1/5 nel 2023, e le sue prestazioni hanno corrisposto alle previsioni dei modelli computazionali.

Nel complesso, General Fusion ha speso due decenni a costruire passo dopo passo ciascuna delle tecnologie chiave del suo design finale, testandole lungo il percorso e validando con successo l’idea, almeno finora.

Fonte: General Fusion

Essendo una società privata, non ha dovuto discutere e negoziare cambiamenti di design, a differenza di progetti internazionali come ITER. Ha potuto scegliere la tecnologia in base al proprio merito, senza dover decidere se un determinato paese dovesse ottenere il contratto per ragioni politiche.

Questo è il motivo per cui molti si aspettano che General Fusion e alcuni dei suoi concorrenti gestiscano ciò che i grandi progetti governativi potrebbero non riuscire a fare.

3. TAE Technologies

Formerly known as Tri Alpha Energy, the California-based company is focused on developing fusion energy tech. TAE Technologies is currently upgrading its fusion platform, Norman, to a sixth-generation machine called Copernicus.

Fonte: TAE

La tecnologia di TAE si basa su acceleratori di particelle per iniettare energia nel plasma e “agire come un agente addensante che lo rende più gestibile”.

L’azienda utilizza ampiamente la stampa 3D nella realizzazione di Copernicus, consentendo rapide iterazioni di nuovi componenti e una più veloce risoluzione dei problemi. Per esempio, è riuscita a stampare alcuni componenti del reattore con metà del peso rispetto a quanto avrebbe ottenuto la produzione convenzionale.

Fonte: TAE

Se tutto procede senza intoppi, l’azienda prevede di costruire il suo primo prototipo di centrale elettrica che potrebbe collegarsi alla rete nei primi anni 2030, per poi essere scalato al fine di sviluppare energia commerciale “robusta e affidabile” nel decennio.

Secondo il suo CEO Michel Binderbauer, la fusione ci porterà in un “paradigma di abbondanza”.

Negli ultimi 25 anni, l’azienda ha operato con un modello “money by milestone”, in cui ogni round di finanziamento viene guadagnato dagli investitori solo se vengono raggiunti i traguardi promessi.

Nel 2022, Google e Chevron (CVX ) hanno investito in TAE Technologies nell’ambito della raccolta fondi da 250 milioni di dollari dell’azienda. Google collabora con TAE da un decennio e fornisce all’azienda IA e potenza computazionale.

L’azienda offre anche servizi di scienze della vita (Terapia di cattura di neutroni al boro – BNCT) e soluzioni energetiche come batterie e mobilità elettrica.

4. Helion

Helion aims to create fusion with deuterium and helium-3, instead of the more common approach to focus on fusion with tritium.

Normalmente l’elio‑3 è molto difficile da trovare. Ma Helion ha un metodo per produrlo dal deuterio nel proprio reattore. Altrimenti, sarebbero state necessarie alternative non provate come l’estrazione lunare.

Come la maggior parte delle iniziative private nella fusione, Helion utilizza la tecnologia di iniezione di plasma.

Un’altra caratteristica unica di Helion è mirare alla cattura diretta di elettricità dal plasma, usando la legge di Faraday per indurre una corrente, saltando direttamente il ciclo di riscaldamento a vapore tipico delle centrali nucleari.

Il reattore a fusione di Helion dovrebbe avere costi di combustibile trascurabili, costi operativi bassi, alta disponibilità e costi di capitale competitivi. Le nostre macchine richiedono un costo molto più basso per le attrezzature di capitale perché possiamo fare fusione così efficientemente e non richiediamo grandi turbine a vapore, torri di raffreddamento o altri costosi requisiti degli approcci tradizionali alla fusione.

Helion attualmente gestisce Trenta, il suo reattore di sesta generazione che ha raggiunto oltre 10.000 impulsi e temperature di 100 milioni di gradi Celsius.

Fonte: Helion

Sta passando a Polaris, il suo prossimo modello previsto con impulsi magnetici 100 volte più rapidi rispetto a Trenta, il che lo renderebbe il primo reattore di fusione nucleare a produrre un guadagno netto di elettricità.

Vale la pena notare che Polaris sarebbe lungo 19 m, ben lontano da un’installazione gigante rispetto ad altri, più classici progetti di reattori a fusione.