La fusione fredda

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La fusione nucleare fredda, detta comunemente fusione fredda e fusione a freddo (in inglese Cold Fusion, "CF", ma indicata anche come Low Energy Nuclear Reactions, LENR, "reazioni nucleari a bassa energia", o Chemically Assisted Nuclear Reactions, CANR, "reazioni nucleari assistite chimicamente"), è un nome generico attribuito a reazioni di presunta natura nucleare, che si produrrebbero a pressione a temperature molto minori di quelle necessarie per ottenere la fusione nucleare "calda", per la quale sono necessarie temperature dell'ordine del milione di kelvin e densità del plasma molto elevate. Alcuni studiosi ritengono che il termine fusione fredda sia da sostituire con il termine LENR, in quanto tutti i fenomeni qui di seguito descritti appartengono alla famiglia delle reazioni nucleari a bassa energia. Dopo il clamore provocato nel 1989 dagli esperimenti di Martin Fleischmann e Stanley Pons (Università di Salt Lake City - Utah), poi ripetuti in diversi laboratori, sono seguiti studi teorici tra i quali quelli di Giuliano Preparata, docente di Fisica Nucleare all'Università di Milano, che elaborò la sua "teoria coerente sulla fusione fredda". 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. Se il successo di questo esperimento sia dovuto alla fusione fredda o piuttosto ad una forma ancora non conosciuta di sviluppo di energia è tuttora oggetto di controversie.
Metodi per produrre reazioni di fusione nucleare fredda Così come per la fusione nucleare calda (fusione termonucleare), anche per ottenere la fusione nucleare fredda è necessario avvicinare i nuclei atomici di deuterio e trizio a distanze tali da vincere la reciproca forza coulombiana di repulsione dei nuclei carichi positivamente , solo che, diversamente dalle reazioni di fusione termonucleare, i sostenitori dell'esistenza di quelle di fusione nucleare fredda affermano che si può ottenere lo stesso risultato spendendo molta meno energia grazie allo sfruttamento di una poco chiarita azione da parte di un catalizzatore quale ad esempio il palladio.
A seconda del tipo di catalisi utilizzata, si possono avere varie tipologie di fusione nucleare fredda:
Catalizzazione da muoni

il muone è una particella che ha la possibilità di sostituirsi all'elettrone dell'atomo. Avendo all'atto della sostituzione una massa assai maggiore (circa 200 volte) di quella dell'elettrone, per il principio di conservazione del momento angolare i muoni dovranno orbitare a distanze molto più prossime al nucleo, schermando quindi maggiormente la repulsione elettrica, e questo permetterà l'avvicinamento tra quei nuclei che hanno sostituito i propri elettroni con muoni, a tale vicinanza da poterli portare in condizioni utili per innescare la reazione di fusione nucleare, con conseguente emissione di energia
I muoni, una volta che hanno innescato la fusione tra due nuclei possono sopravviverne e quindi andare ad agire come catalizzatori per nuove reazioni.
Oramai tutti i fisici concordano sulla capacità dei muoni di poter essere utilizzati come catalizzatori per generare reazioni di fusione nucleare, ma vi è l'oggettiva impossibilità, allo stato attuale della tecnologia, di rendere tali reazioni energeticamente convenienti.
Confinamento chimico
Il metodo detto del confinamento chimico si basa sulla possibilità di utilizzare la proprietà del palladio (o di altri catalizzatori) di caricare all'interno del proprio reticolo cristallino atomi diidrogeno o dei suoi isotopi come il deuterio, formando deuterio oppure idruro di palladio.
Una condizione necessaria, ma non sufficiente, è che tale caricamento deve essere assai elevato e raggiungere una percentuale di H/Pd o D/Pd, detta anche di caricamento, che abbia un valore di almeno il 95%, ovvero per ogni atomo di palladio ci deve essere quasi un atomo di idrogeno o deuterio; una simile condizione è difficile da ottenere in tempi brevi se non con particolari procedimenti di natura fisica e/o chimica.
Vi sono tre tipologie di dispositivi a confinamento chimico:

Cella elettrolitica


un dispositivo composto da un contenitore di materiale isolante, riempito con deuterio in soluzione ad un elettrolita, con al suo interno due elettrodi conduttivi metallici.
Il primo elettrodo, chiamato catodo, è in genere in palladio o altro metallo capace di assorbire gli atomi di idrogeno o deuterio ed è collegato al polo negativo di un apposito alimentatore a corrente continua.
Il secondo elettrodo, chiamato anodo, è composto da un materiale resistente alla corrosione elettrolitica, come ad esempio i platino, ed è collegato al polo positivo dell'alimentatore.
In questo tipo di cella, in particolari e non ancora chiarite condizioni fisiche, viene osservata una emissione di calore, in quantità superiore a quella che potrebbe generarsi secondo le classiche leggi della fisica.
Esempi di celle elettrolitiche:

Esperimenti della SRI (USA) e Vittorio Violante (ENEA)
Cella di Fleischmann e Pons
Cella al plasma elettrolitico
La cella al plasma elettrolitico, o cella di T. Ohmori e T. Mizuno, è un dispositivo concettualmente simile alla Cella Elettrolitica, ma funzionante in un regime completamente differente.
Il catodo è normalmente composto da una barra di tungsteno, o altro materiale metallico, capace di sopportare le elevatissime temperature prodotte da una bolla di plasma che si forma, a causa delle particolari condizioni di funzionamento, intorno all'elettrodo stesso.
Esempi di celle al plasma elettrolitico:


Cella di T. Ohmori e T. Mizuno
cella a gas di deuterio o idrogeno
Alcuni scienziati, ad esempio Yoshiaki Arata, Francesco Piantelli e Francesco Celani, hanno realizzato delle celle dette asciutte, nelle quali al posto di un elettrolita liquido vi è un gascome il deuterio o l'idrogeno, mentre il catodo è in palladio o nichel; in tali catodi, con opportune tecniche, può essere accumulato un grosso quantitativo di gas.
La quantità di gas accumulabile all'interno del reticolo cristallino del metallo può arrivare a circa un atomo di gas per ogni atomo di metallo, ed un tanto elevato accumulo, a certe condizioni non ancora del tutto note, può innescare fenomeni di generazione anomala di calore; la scaturigine del calore potrebbe essere spiegata anche come presumibile conseguenza di reazioni di origine termonucleare.
Il vantaggio di tali celle, rispetto a quelle elettrolitiche, è nella possibilità di svolgere esperimenti in condizioni più controllate e di conseguenza più facilmente riproducibili.
Esempi di celle a gas:
Cella nichel-idrogeno di Sergio Focardi e Francesco Piantelli
Cella a nanoparticelle di palladio e gas di deuterio di Yoshiaki Arata
I primi lavori La speciale capacità del palladio di assorbire idrogeno fu riconosciuta verso la fine del diciannovesimo secolo da Thomas Graham..
Nel 1926 due radiochimici, Friedrich Adolf Paneth e K. Peters, pubblicarono un lavoro sulla presunta trasformazione spontanea di idrogeno in elio per effetto di catalisi nucleare, quando l'idrogeno è assorbito dal palladio a temperatura ambiente.
Successivamente questi autori ammisero che la quantità di elio da loro misurata era alterata da un inquinamento di elio, presente in modo naturale nell'aria.
Ne 1927 lo scienziato svedese J. Tandberg affermò di aver ottenuto una miscela di idrogeno in elio all'interno di una cella elettrolitica con elettrodi in palladio.
Sulla base di questo lavoro richiese nel suo paese un brevetto dal titolo: "Metodo che produce elio ed utili reazioni energetiche".
Dopo la scoperta del deuterio, nel 1932, Tandberg continuò i suoi esperimenti con l'acqua pesante.
A causa nte scoperta della reazione di Paneth e Peters, seguita poi dalla sua ritrattazione, il brevetto di Tandberg sarebbe comunque risultato non valido.
Il termine fusione fredda ("cold fusion") fu coniato nel 1986 da Paul Palmer, della Brigham Young University, durante una ricerca di geo fusione (geo-fusion) sulla possibilità di esistenza di fenomeni di fusione all'interno dei nuclei planetari.
Fusione Fredda a confinamento chimico
L'annuncio di Fleischmann e Pons
Fleischmann disse che stava iniziando ad investigare la possibilità che le reazioni chimiche potessero influenzare i processi nucleari negli anni sessanta.
Predisse che gli effetti collettivi da lui esplorati, avrebbero potuto richiedere l'elettrodinamica quantistica per essere calcolati, potendo condurre a risultati più significativi rispetto agli effetti indicati dalla meccanica quantistica
Disse inoltre che nel 1983 aveva raggiunto un'evidenza sperimentale che lo portava a credere che nella fase condensata i sistemi sviluppassero strutture coerenti piuttosto evidenti, con dimensioni dell'ordine dei 10-7m (1/10.000 mm).
Ne 1984, come conseguenza di questi studi, Fleischmann e Pons iniziarono i loro esperimenti sulla fusione fredda.
La cella utilizzata per i primi esperimenti
La configurazione iniziale della cella di Fleischmann e Pons utilizzava un vaso di Dewar (un vaso di vetro a doppia parete al cui interno era stato fatto del vuoto) riempito di acqua pesante per svolgere l'elettrolisi, in modo che fosse minima la dispersione termica (meno del 5% durante la durata di un tipico esperimento).
La cella era poi immersa in un bagno termostatato a temperatura costante in modo da eliminare gli effetti di sorgenti esterne di calore.
I due scienziati utilizzarono una cella aperta, in modo da eliminare la pericolosa formazione di sacche di deuterio e ossigeno risultanti dalle reazioni di elettrolisi, anche se ciò avrebbe favorito qualche perdita termica e comportava quindi il ricalcolo della minore potenza prodotta dalla cella stessa a causa della perdita.
Questa configurazione, a causa dell'evaporazione del liquido, rendeva necessario rabboccare di tanto in tanto il vaso con nuova acqua pesante.
I due scienziati fecero poi notare che se la cella era alta e stretta, le bolle di gas prodotte dalla elettrolisi potevano mescolare e portare ad una temperatura uniforme l'acqua pesante contenuta.
Una particolare attenzione era poi stata riposta nell'utilizzo di un catodo di palladio e di un elettrolita di grande purezza, in modo da prevenire la possibilità di formazione di residui sulla superficie; questo specialmente per gli esperimenti più lunghi.
La cella era corredata di un termistore per la misura della temperatura dell'elettrolita, e di un riscaldatore elettrico per la generazione degli impulsi di calore necessari a compensare le perdite di calore dovute alla evaporazione del gas.
Dopo la compensazione (calibratura) era possibile ottenere con relativa facilità il valore del calore generato dalla reazione.
Una corrente costante fu applicata alla cella per un periodo di diverse settimane, quindi fu via via necessario rabboccare la cella di nuova acqua pesante.
Per la maggior parte del tempo la potenza elettrica immessa nella cella rimase praticamente uguale a quella dispersa dalla cella stessa, evidenziando un funzionamento della cella consueto secondo le consuete leggi dell'elettrochimica.
In queste condizioni la temperatura della cella era di circa 30 °C.
In momenti, però, e solo per alcuni esperimenti, la temperatura aumentava improvvisamente, sino a circa 50 °C, senza che fosse variata la potenza elettrica in ingresso; questo repentino fenomeno poteva durare due o più giorni.
In questi particolari momenti la potenza generata poteva essere superiore a 20 volte la potenza elettrica applicata in ingresso alla cella.
In altri casi questi repentini innalzamenti di temperatura non venivano riscontrati per molto tempo e quindi la cella veniva spenta.
La temperatura della cella era misurata con un termistore, mentre un altro termistore era posto direttamente sul catodo, in modo da poterne misurare la temperatura durante gli eventi di surriscaldamento.
L'efficacia di quel metodo di rilevamento è stata spesso elemento di contestazione. L'esperimento, nel suo insieme, è stato poi criticato da Wilson
Altri esperimenti basati sull'utilizzo di celle aperte sono stati criticati da Shkedi e Jones . Molti ricercatori che hanno fatto sperimentazione sulla fusione fredda hanno trovato tali critiche non convincenti e comunque non applicabili in altre tipologie di esperimenti .
Difficoltà nella riproducibilità del fenomeno
Una della caratteristiche che hanno creato fin dall'inizio critiche da una parte della comunità scientifica (nonché accese polemiche) è stata la scarsa riproducibilità degli esperimenti lamentata dai ricercatori.
Fin da quando Fleischmann e Pons il 13 marzo 1989 inviarono al Journal of Electroanalytical Chemistry la pubblicazione con le loro ricerche, decine di laboratori fecero centinaia di febbrili tentativi di replicazione, ma purtroppo la grande parte di questi non diede esiti sicuramente positivi; risultava perciò evidente che le condizioni alle quali il fenomeno si poteva produrre erano molto particolari e quasi del tutto ignote anche ai due ricercatori, oppure questi si basavano su effetti non reali o sp altiegabili solo con particolari fenomeni di origine elettrochimica.
Questa difficoltà nella dimostrazione oggettiva del fenomeno, unita ad una particolare situazione di grande attesa da parte del pubblico (pompata da un atteggiamento sensazionalistico dei media) fecero sì che alla fine si gettasse discredito sull'intero argomento.
Di contro, vari ricercatori che operano nel campo della fusione fredda avanzarono varie spiegazioni a giustificazione di questa difficoltà: essi sostengono che il protocollo da seguire redatto dai ricercatori Fleischmann, Martin & Pons non includeva una condizione assolutamente necessaria affinché il fenomeno stesso potesse svilupparsi, ovvero che fosse raggiunto un rapporto di caricamento da parte del deuterio nella matrice di palladio estremamente elevato, rapporto che doveva essere, come poi fu teoricamente dimostrato dai lavori di Giuliano Preparata, uguale o superiore a 0,95.
Senza la conoscenza e successiva applicazione di questa informazione, non era possibile ottenere una sufficiente costanza nei risultati da parte di chi tentò di riprodurre l'esperimento.
1991: la querela a La Repubblica
I ricercatori Fleischmann, Pons, Bressani, Preparata e Del Giudice denunciarono il giornalista a causa di un articolo giudicato diffamatorio apparso su La Repubblica 21 ottobre
Il giudizio in prima istanza del tribunale di Roma, dopo aver qualificato la Fusione Fredda come un'ipotesi che attende conferme, fu di assoluzione e condannò pertanto tutti e 5 i ricercatori in solido al pagamento delle spese processuali 2001: condanna in appello
Successivamente, sul ricorso in appello dei 5 ricercatori, a quasi 10 anni ormai dalla comparsa dell'articolo, la Corte d'Appello di Roma decise ribaltando la prima sentenza condannò Repubblica, nella figura del suo direttore ed editore, ed il giornalista Giovanni Maria Pace ad un risarcimento monetario nei confronti dei due ricercatori M. Fleischmann, S. Pons ..
le informazioni pubblicate, non solo in atti scientifici, ma anche dalla stampa e segnatamente dal quotidiano "La Repubblica" sul positivo andamento della ricerca nel settore "de quo", affermando anzi il contrario.
 La sentenza passò in giudicato senza che nessuna delle parti abbia appellato
Le ricerche di Morrison Il fisico Douglas R.O. Morrison ha scritto nel 1991 un articolo di critica sulla Fusione Fredda prendendo spunto dai vari esperimenti fatti nei due anni precedenti.
Nell'abstract dell'articolo vengono fatte diverse considerazioni, tra le quali: Non vi è produzione di calore di eccesso.
 È evidente che il bilancio finale è fortemente contro la presenza di prodotti di fusione. È stata osservata una curiosa regionalizzazione dei risultati.