0221. Come si fa a produrre elettricità da fusione nucleare prodotta in un elettrodo di palladio?

Ho letto che facendo passare l'elettricità tra un elettrodo di palladio e uno di platino, in quello del palladio si crea una fusione nucleare che porta a trasformare il deuterio in elio. E’ davvero così semplice? Come si fa a ottenere elettricità da una reazione di questo tipo? Non producendo calore non produce neanche vapore che faccia girare le turbine. (Marco Setti) (2038)

Il fenomeno a cui si riferisce il nostro web-nauta, comunemente chiamato “fusione fredda” o più propriamente “reazioni nucleari a bassa energia (LENR-low energy nuclear reactions)" in realtà è tutt’ora un problema dibattuto, con sostenitori e denigratori, nella comunità scientifica.

Ma il problema non è quello posto nella domanda.

La reazione produce calore ed i fautori della realtà del processo pensano proprio che sia possibile sfruttare la produzione anomala di calore concomitante con il processo elettrochimico. Quindi, benché nessuno oggi abbia ipotizzato un modo concreto per produrre energia elettrica, essa potrebbe avvenire attraverso un ciclo termico. Non è quindi un processo di conversione diretta in energia elettrica, come per il caso dell’energia solare attraverso le cellule foto-voltaiche o dell’energia chimica attraverso le celle a combustibile.

Fin dal primo annuncio di Martin Fleischmann e Stanley Pons del 23 marzo 1989 la principale caratteristica messa in evidenza era l’eccesso di energia, in forma di calore, che poteva essere prodotto in elettrolisi di acqua pesante (D₂O) con un catodo di palladio (Pd) . Lo sfruttamento di tale fenomeno, se reale, per la produzione di energia elettrica potrebbe quindi avvenire attraverso un ciclo termico a diverse possibili scale, del tutto analogo a quello delle centrali termo-elettriche convenzionali o nucleari o delle più modeste macchine a vapore. La quantità di calore prodotto, secondo Martin Fleischmann e Stanley Pons, è incompatibile con una derivazione da una reazione chimica del fenomeno e quindi andrebbe ricondotta ad una reazione di fusione nucleare tra nuclei di deuterio[114] .

Quello che ha suscitato clamore e scetticismo nella comunità scientifica, oltre che le modalità dell’annuncio, sono le ipotizzate caratteristiche di questo processo prodotto in materia condensata (all’interno del reticolo cristallino del Pd) che lo rendono del tutto peculiare rispetto al processo (“fusione calda” ) tra nuclei liberi di deuterio . L’energia a cui avviene la reazione è dell’ordine degli eV (elettron-volt) (o meno se si ipotizza che la fusione avvenga tra nuclei sostanzialmente fermi), invece che delle decine di keV (decine di kilo-elettron-volt), e la probabilità dei diversi canali della reazione (D + D → ³He + n; D + D → ³H + p; D + D→ ⁴He + γ sono tutti canali eso-termici cioè che forniscono energia) è molto diversa con preferenza dell’ultimo canale – quello che rilascia la maggior quantità di energia - per la reazione in materia condensata che è invece dieci- cento volte meno probabile rispetto agli altri due canali nella reazione tra nuclei liberi. Inoltre l’energia rilasciata nella reazione, anziché essere associata alla radiazione g (emissione di un fotone) , è ceduta alla struttura reticolare nel suo insieme provocando un rilascio di calore localmente anziché disperderlo, tramite il trasporto attraverso la radiazione, su volumi molto più grandi. Una comprensione del fenomeno deve quindi dar conto di come il reticolo cristallino possa schermare la barriera coulombiana tra i due nuclei di deuterio quando questi, a seguito dell’assorbimento indotto dal processo elettrochimico, si localizzano negli interstizi del reticolo stesso e come esso possa condizionare la probabilità e modalità dei diversi canali di reazione.

Se questo fosse accertato con il necessario rigore scientifico, si aprirebbero certamente nuovi campi per lo studio delle reazioni nucleari in materia condensata e per applicazioni di ampia portata.

Nel periodo successivo all’annuncio ci fu in molti laboratori, negli anni ’89-’90, una febbrile attività, non coordinata, con il proposito di comprendere l’esperimento e replicarlo. A fronte di un certo numero di risultati positivi ci fu una larga maggioranza di risultati negativi.

Il modo non usuale dell’annuncio, non sedimentato nella comunità scientifica attraverso i modi ed i tempi propri dell’acquisizione e della verifica dei fatti sperimentali e delle loro ipotizzate spiegazioni, le prospettive di applicazione immediata e la conseguente rincorsa al risultato facile ed eclatante da parte di molti ricercatori, la preoccupazione di perdere posizioni acquisite nella ripartizione dei finanziamenti da parte di importanti gruppi di ricerca, originarono una serie di esperimenti affrettati con apparati di misura non sempre adeguati che portarono la comunità scientifica nel suo insieme non attribuisse i risultati negativi alla novità e difficoltà del problema, che avrebbe dovuto richiedere il coinvolgimento di competenze in discipline molto diverse (elettrochimica, fisica nucleare, scienza dei materiali) ed un programma coordinato di ricerca, ma piuttosto ritenesse errati i risultati positivi.

La cosidetta fusione fredda da una parte della comunità scientifica venne quindi considerata appartenere alla scienza “patologica” e solo alcuni gruppi con pochi finanziamenti (tranne il caso del Giappone) hanno continuato le ricerche nel campo. Benché le ricerche si siano estese a molti altri sistemi, il risultato base che si cerca di riprodurre e spiegare è ancora quello riportato in figura. La differenza di comportamento che si misura nella produzione di calore quando, sotto particolari condizioni, si faccia passare corrente in una cella elettrolitica con catodo di Palladio immerso in acqua pesante o in acqua leggera (il processo di fusione H + H →D + positrone + neutrino ha una probabilità estremamente bassa essendo in esso coinvolto anche un processo ad interazione debole; esso avviene praticamente solo nelle stelle, dato l’elevato numero di protoni in esse presenti rispetto ad altri tipi di nuclei).

Calore in eccesso in due celle gemelle poste in serie

I fautori delle ricerche in questo campo hanno continuato a tenere congressi dedicati alla fusione fredda (International Conference on Cold Fusion), giunti lo scorso anno alla undicesima edizione (ICCF11 tenutasi a Marsiglia 30 ottobre-5 novembre 2004), dal 1999 si tengono sessioni sulla fusione fredda nelle riunioni di marzo dell’American Physical Society), si sono tenuti tre simposi (1998, 2000 e 2003) in riunioni dell’American Nuclear Society. Queste aperture, benché ancora insufficienti, sono forse indice di una diversa attitudine, certamente sollecitata dal lavoro fatto e da alcuni risultati raggiunti.

Lo scorso dicembre è stato pubblicato il rapporto del Department of Energy (DOE) (l’agenzia americana che finanzia le ricerche sull’ energia e nel campo delle ricerche di base), realizzato da 18 esperti indipendenti (reviewer) in risposta alle domande formulate dal DOE sulla fusione fredda. Il rapporto rappresenta una rivisitazione dello stato del problema, dietro richiesta di un gruppo di sostenitori delle ricerche LENR. Il giudizio complessivo del rapporto è sostanzialmente ancora negativo ma riconosce alcuni progressi fatti e anche se non promuove nessun programma strutturato per le ricerche LERN, sembra incoraggiare la presentazione di proposte individuali di finanziamento alle agenzie deputate. Inoltre il tenore dei commenti di alcuni dei 18 esperti è sostanzialmente diverso rispetto al giudizio unanimemente negativo del precedente rapporto ERAB (Energy Research Advisory Board), sempre del DOE, pubblicato nel 1989.

In conclusione il giudizio della comunità scientifica nei confronti della fusione fredda è ancora molto critico ma vi è la certezza che la metodologia scientifica assicura al suo interno il criterio di verità e, benché ci siano evidentemente interferenze e conflittualità con situazioni acquisite di varia natura, è sempre adeguata per distinguere fatti reali da errori sperimentali.

Salvatore Frullani – Fisico