Episodio 2

Ripercorrendo le tappe della «saga» della fusione fredda, risulta ora evidente che la Conferenza di Como segna il punto di inversione della ricerca in questo campo. La comunità scientifica, convinta della sconfitta più completa della fusione fredda, ignora l’evento, seguita in questo dalla stampa, lasciando così il campo a un sereno e fecondo dibattito scientifico in una maestosa villa viscontea (Villa Olmo) sulle rive del lago di Como. E i risultati, puntualmente pubblicati sugli Atti (di cui sono il curatore con Bressani e Del Giudice), editi dalla Società Italiana di Fisica, sono nuovi e interessanti. Flaischmann e Pons annunciano un balzo nella produzione di energia, raggiungendo con particolari leghe di palladio e argento densità di potenza di circa 1,5 chilowatt a centimetro cubo, un buon fattore tre, sul meglio che si può ottenere con i reattori nucleari, l’autofertilizzante Superphénix francese. Mech Kubre e il suo gruppo, finanziato dall’Electric Power Research Institute di Palo Alto, California, confermano i risultati annunciati due anni prima da Flaischmann e Pons, oltre che l’esistenza di una soglia di caricamento (come prevede la mia teoria). Il gruppo della Marina americana, condotto da Melvin Miles, riporta evidenza di Elio-4 nelle celle che danno calore, in quantità confrontabili con l’eccesso di calore. E inoltre osservazioni di neutroni in piccole ma definite quantità da parte di gruppi giapponesi e italiani completano il quadro di una fenomenologia che sta diventando coerente e, nonostante i mezzi modesti di cui dispone, di alto livello scientifico. Il titolo degli Atti, The Science of Cold Fusion, riassume efficacemente il tono di quella conferenza che rimane probabilmente la migliore delle cinque fino a oggi celebrate. 

Nonostante questi risultati di buon livello scientifico mettano ormai al riparo la fusione fredda dalla definizione, molto popolare nella comunità scientifica, di «scienza patologica», escono periodicamente sulla stampa articoli in cui si dà per scontato che i «credenti» sono degli idioti o dei mascalzoni. Contro uno di questi attacchi, Flaischmann, Pons, Bressani, Del Giudice e io abbiamo ritenuto necessario intraprendere un’azione giudiziaria. 

Gli anni che seguono la Conferenza di Como e la ritrovata fiducia nella fusione fredda sono tutti volti alla conversione di un fenomeno fisico non più dubitabile in una sorgente energetica a buon mercato, inesauribile e pulita: troppo bello per essere vero! Eppure tutto quello che sappiamo sulla fusione fredda va esattamente in questa direzione, occorre soltanto trovare la chiave che permetta di caricare di atomi di deuterio (un isotopo dell’idrogeno, il cui nucleo consiste di un protone e di un neutrone) un pezzo di palladio (un metallo semiprezioso, usato nelle marmitte catalitiche) in modo rapido e ad alta densità, più di un atomo di Deuterio per ogni atomo di Palladio (la soglia di cui ho parlato più sopra). Con i sistemi elettrolitici di Flaischmann e Pons il processo di caricamento è estremamente aleatorio: dura un periodo molto lungo, spesso un mese, dipende da dettagli del protocollo di elettrolisi mal compresi e, soprattutto, dipende in modo del tutto ignoto dalla metallurgia del Palladio. Siamo piuttosto lontani dal costruire un dispositivo che possa essere sfruttato industrialmente. La ricerca è ora prevalentemente tecnologica. Giudico quindi il mio ruolo praticamente esaurito, una volta che di conferenza in conferenza vedo il mio modello acquisire le caratteristiche e la consistenza di una vera e solida teoria. 

Ma le cose per me dovevano cambiare drasticamente nell’estate del 1993, quando su invito di Flaischmann e Pons decido di trascorrere circa due mesi presso il loro laboratorio, a Sophia Antipolis. Nell’anno precedente insieme al loro gruppo, essi avevano condotto una serie di esperimenti sul caricamento di idrogeno in càtodi di Palladio delle ormai famose celle alla Flaischmann-Pons. Il loro scopo era di verificare un’osservazione riportata agli inizi degli anni trenta dal chimico tedesco Alfred Cohn, il quale aveva notato degli strani comportamenti che potevano interpretarsi come l’«elettromigrazione» dei protoni. Alfred Cohn suggeriva l’ipotesi che l’idrogeno che entra nel Palladio vi entra allo stato ionico (cioè elettroni e protoni si separano in modo che i protoni non sono schermati dai loro elettroni), infatti quando ai capi di un filo di Palladio, carico di idrogeno, si applicava un voltaggio, i protoni, sottoposti a un campo elettrico  vengono trascinati, elettromigrano appunto. Questo effetto, l’effetto Cohn, è in linea di principio molto interessante per la fusione fredda, perché potrebbe essere usato - in modi non ancora chiari – per risolvere il suo problema cruciale: l’alto caricamento di deuterio nel Palladio. I risultati che il gruppo di Flaischmann e Pons raccoglie in molti mesi di sperimentazione nelle più disparate configurazioni sono di notevole interesse, non accordandosi con nessuna delle semplici teorie della diffusione di cariche in sistemi filiformi sottoposti a un potenziale elettrico. Mi metto al lavoro e scopro la buona teoria della diffusione che si fonda su recenti risultati sperimentali ottenuti dal gruppo di Giuliano Mengoli, del CNR di Padova, i quali confermano l’esistenza nel Palladio-Deuterio di una nuova fase, la fase-y, che, come vedremo fra un momento, avevo dovuto ipotizzare per spiegare la fusione fredda. Ma nel caso di questa analisi scopro qualcosa di assolutamente inaspettato, un meccanismo semplicissimo per ottenere alti caricamenti: se non ho preso lucciole per lanterne il problema chiave della fusione fredda è risolto. Ne parlo a Flaischmann e Pons, ma i due non capiscono i termini del problema, le radici concettuali di un effetto fisico completamente nuovo (cui darò il nome di «effetto Cohn-Aharonov»), né io ne sono così sicuro. Ho bisogno di riflèttervi a lungo, e la cosa finisce lì. Il seguito della storia ci porta a una nuova fase che, nel momento in cui scrivo (agosto 1995), è in piena ebollizione e il cui esito richiederà forse un racconto a parte. Per gli scopi di questo libro la «saga» della fusione fredda finisce qui; è tempo di ritornare alla scienza. 

Ci sono due modi per estrarre energia dai nuclei atomici: la «fissione» e la «fusione». Nella «fissione» scoperta nel 1938 dai tedeschi Hahn e Strassman un nucleo pesante come l’Uranio 235 (quest’ultimo è il numero di protoni e neutroni che lo compongono) catturando un neutrone si spezza in due metà quasi uguali più un certo numero di neutroni, i quali vengono catturati a loro volta, dando così luogo alla «cascata nucleare» che, se incontrollata, diviene una bomba atomica, mentre con opportuni dispositivi che controllano il flusso dei neutroni dà luogo ai reattori nucleari. Il fatto fisico che permette alla fissione di produrre energia è che i protoni e i neutroni nei nuclei pesanti sono meno legati che nei nuclei più leggeri, e quindi nella fissione viene fornito in energia cinetica (dei neutroni e dei nuclei finali) l’eccesso di energia per nucleone che i nuclei pesanti hanno rispetto a quelli più leggeri. Nella «fusione» accade esattamente il contrario: è il nucleo più pesante, ottenuto fondendo due nuclei leggeri, a essere più legato, e quindi nel processo di fusione si recupera l’eccesso di energia che proviene dal maggiore legame dei prodotti della fusione. 

Anni di campagne ecologiste, referendum, Chernobyl e via dicendo, ci hanno chiarito a sufficienza i pericoli della fissione che produce un gran numero di isotopi altamente radioattivi di cui ci dobbiamo sbarazzare senza danno, impresa difficilissima. La fusione fredda non ha questi pericoli, ma presenta purtroppo un problema fondamentale che si chiama «barriera coulombiana», che circa quarant’anni di “fusione calda” e 70 miliardi di dollari spesi nella ricerca non sono riusciti a risolvere. La «barriera coulombiana» (in inglese Coulomb Barrier) ha un’origine banale; dipende dal fatto che tutti i nuclei, nessuno escluso, sono carichi positivamente: sono fatti di protoni e neutroni, e mentre il neutrone è neutro, il protone ha una carica opposta a quella dell’elettrone, che è convenzionalmente negativa. Ora, come scoprì Charles-Augustin de Coulomb alla fine del diciottesimo secolo, due cariche dello stesso segno si respingono con una forza inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. La forza coulombiana può quindi diventare molto forte se la distanza diventa molto piccola; e la distanza a cui due nuclei possono interagire fortemente e fondersi è dell’ordine del loro raggio, cioè un fermi (10 alla meno tredicesima centimetri, centomila volte più piccolo del tipico raggio atomico). Un semplice calcolo mostra che la barriera energetica che due protoni (la più debole fra le barriere coulombiane) debbono superare per fondersi è dell’ordine di un Mega-elettronvolt: l’energia che acquista un protone passando fra due punti la cui differenza di potenziale è un milione di volt. Accelerazioni del genere sono ultra-accessibili alla moderna fisica nucleare, ma alla natura? Occorre andare sulle stelle dove le enormi masse di idrogeno di cui sono composte, sottoposte alle ugualmente enormi pressioni gravitazionali e alle altissime temperature che vi si trovano all’interno, sono in grado di superare la barriera coulombiana e di innescare una serie di reazioni di fusione, la cui teoria, poi raffinata, è dovuta al teorico tedesco-americano Hans Bethe che la formulò durante la seconda guerra mondiale. Quindi per corpi delle dimensioni e della composizione delle stelle, la fusione nucleare è un meccanismo sicuro e a portata di mano per produrre la quantità enorme di energia che essi spandono liberamente nel cosmo durante le loro vite lunghe qualche miliardo di anni. Il sole, sorgente inesauribile di vita, simbolo eterno di gioia, svolge questi ruoli esaltanti a spese della fusione nucleare. 

Se dunque desideriamo sfruttare questa portentosa sorgente di energia dobbiamo trovare un modo per superare (o aggirare) la barriera coulombiana. La strategia della fusione calda è semplice: imitare il sole sulla terra; ma essa è anche eccessivamente (e forse non intelligentemente) ambiziosa, a giudicare dal quarantennio di scarsi successi. Infatti le grandi macchine di dimensioni sempre crescenti che si sono costruite con l’andar degli anni cercano tutte di risolvere i seguenti problemi: confinare con forti campi magnetici i nuclei leggeri come protoni e deutoni (i nuclei del deuterio) e riscaldarli mediante forti campi elettromagnetici a temperature di centinaia di milioni di gradi, in modo che le alte energie cinetiche corrispondenti a queste temperature permettano loro di superare la barriera coulombiana e di fondersi, producendo energia in eccesso. Anche se in linea di principio questi problemi appaiono superabili, ogni volta che si è cercato di risolverli mediante plasmi più densi ci si è imbattuti in instabilità e altro la cui soluzione si è rivelata sempre molto difficile. 

Quella che il 23 marzo 1989 Flaischmann e Pons annunciano al mondo stupefatto è invece una strategia completamente diversa, del tutto nuova e decisamente incredibile. Le premesse degli esperimenti che i due elettrochimici hanno condotto in gran segreto per circa un lustro sono nei lunghi studi compiuti da Flaischmann sull’elettrochimica del sistema palladio-idrogeno. È noto da circa un secolo che l’idrogeno gassoso entra in grandi quantità dentro la matrice metallica del Palladio, e che in condizioni termodinamicamente stabili alla temperatura ambiente, il rapporto di caricamento x, dato dal numero di atomi di idrogeno sul numero di atomi di Palladio, è circa 0,65. Flaischmann sapeva dalle sue esperienze che questo valore poteva essere aumentato con procedimenti elettrolitici in cui l’idrogeno invece che in forma gassosa si presenta alla superficie del Palladio come ione, carico positivamente, come accade in un processo di elettrolisi dell’acqua, il cui càtodo consiste di una sbarretta di Palladio. A un certo punto deve essere scattata una di quelle fantasie assolutamente improbabili che caratterizzano gli uomini di genio e a Flaischmann deve essere venuto in mente di provare a elettrolizzare l’acqua pesante, che ha al posto dell’idrogeno il deuterio; forse le enormi pressioni che agiscono sui deuteri dentro il palladio potrebbero anche indurre la fusione di due deuteri (Deuterio e Trizio) e la produzione di energia. 

Senza percepire appieno l’assurdità (alla luce delle conoscenze acquisite di fisica nucleare e della materia condensata) di queste fantasie, Flaischmann coinvolge il più giovane Pons (che era stato suo studente all’Università di Southampton, in Inghilterra) nel folle programma di realizzare la fusione fredda (il cui nome dovrebbe essere ora chiaro, contrapponendosi questa strategia alle ambizioni delle altissime temperature della fusione calda). 

I dati che Flaischmann e Pons raccolgono debbono avere un aspetto ben strano se i due continuano, «provando e riprovando» per qualche anno (due, tre? non sono riuscito a scoprirlo) a sperimentare sullo stesso sistema, anche se in un gran numero di configurazioni diverse. E alla fine, esauriti tutti i possibili controlli, eliminati tutti i possibili errori (c’è naturalmente in queste affermazioni un elemento soggettivo, come in tutta la sperimentazione scientifica), essi concludono che l’assurdo si è avverato: quando il palladio si carica di atomi di deuterio, al di sopra di un certo valore, il sistema produce notevoli quantità di energia sotto forma di calore. Può questo calore essere di origine chimica? viene spontaneo chiedersi. La risposta è negativa per due ragioni: solo il sistema Palladio-Deuterio e non quello Palladio-Idrogeno produce calore, e se la reazione (o le reazioni) fosse chimica dovrebbero farlo ambedue visto che dal punto di vista chimico Idrogeno e Deuterio sono (praticamente) la stessa cosa. Inoltre la quantità di calore prodotta in eccesso è talmente alta da non poter essere giustificata con processi chimici, da cui ci si attenderebbero rese energetiche da cento a mille volte minori. Le osservazioni dunque permettono una sola interpretazione: durante l’elettrolisi dell’acqua pesante un certo numero di atomi di deuterio penetrati nel càtodo di palladio hanno dato luogo alla fusione nucleare a temperatura ambiente, la fusione fredda. Una conclusione shoccante, ma le sorprese non sono finite. Se i deuteri si fondono, allora ciò può avvenire soltanto mediante i due processi citati sopra, ciascuno dei quali dà conto di circa la metà degli eventi di fusione Deuterio-Trizio. C’è invero un altro processo possibile, ma la probabilità che avvenga è circa un milione di volte più piccola degli altri due processi. Quindi il calore in eccesso, misurato dai calorimetri di Flaischmann e Pons, deve essere associato a un flusso ben definito di neutroni, come pure alla produzione di una quantità altrettanto ben definita di trizio. E con il livello di calore misurato, ambedue i prodotti nucleari sono talmente abbondanti da essere facilmente rilevabili. Infatti la quantità di neutroni attesa è così elevata da eccedere, e di molto, la dose considerata letale per il corpo umano: se le cose fossero andate secondo le previsioni, Flaischmann e Pons non sarebbero più fra noi. Questo sembra veramente troppo: sotto gli occhi degli stupefatti elettrochimici si compiono non uno ma due miracoli! Non solo i deuteri si fondono senza le enormi temperature e pressioni delle stelle, ma il processo (o i processi) di fusione che avviene nel palladio è, del tutto, diverso da quello che avviene sulle stelle, controllato e riprodotto nei laboratori della fisica nucleare. 

Che fare? Flaischmann e Pons decidono di informare dei loro risultati il Department of Energy, a cui chiedono fondi per condurre una ricerca sistematica dei fenomeni di fusione fredda. La risposta del Department of Energy è interlocutoria e, considerate le enormi implicazioni economico-militari della loro scoperta, i due chimici decidono che la cosa più sicura è che tutto il mondo ne sia informato: comincia così, con la conferenza stampa del 23 marzo 1989, l’odissea che ho narrato all’inizio del capitolo. 

Come dicevo più sopra, la fenomenologia della fusione fredda descritta da Flaischmann e Pons e riprodotta da innumerevoli altri gruppi si fonda su due «miracoli»: il primo consiste nel fatto che i deuteri nel Palladio riescono a superare «a freddo» la barriera coulombiana, il secondo nella circostanza che, superata miracolosamente la barriera coulombiana, la fusione non avviene nei modi usuali ma secondo un nuovo meccanismo che conduce alla produzione di Elio-4 (il gas nobile elio) senza però l’emissione del raggio gamma di 23,4 Mega-elettronvolt. Sia per l’uno sia per l’altro «miracolo» la «scienza ufficiale» non possiede alcuna giustificazione; anzi tutti i calcoli che furono freneticamente compiuti nella primavera-estate del 1989 dimostrarono la chiara impossibilità dei fenomeni della fusione fredda, influenzando così in modo determinante il verdetto della commissione del Department of Energy, e quindi della comunità scientifica. Ancora una volta dunque (come nell’affeir Benveniste) quest’ultima evidenzia la sua basilare struttura aristotelica mostràndosi incapace di porre i fatti, le osservazioni e, diciamolo pure: la verità; al di sopra del paradigma dominante, al tempo stesso ideologia e religione laica, attorno a cui costruisce il suo sistema gerarchico e di potere. Per la coerenza elettrodinamica il punto di vista è essenzialmente diverso. I «miracoli» sono tali soltanto per il paradigma che, con il suo dogma della libertà asintotica, concepisce il fenomeno della fusione come del tutto separato e indipendente dalla dinamica del reticolo del palladio (le scale spazio-temporali delle due dinamiche differiscono infatti di un fattore di circa un milione), escludendo così che la matrice metallica possa in alcun modo influenzare il processo nucleare. Senza l’impaccio della libertà asintotica, il nuovo quadro teorico in cui mi muovo non esclude affatto la possibilità che i «miracoli» si tramutino alla fine in conseguenze delle razionalissime, prevedibilissime, naturalissime leggi della elettrodinamica quantistica. Ed è su questa linea che con grandi speranze mi muovo in un primo momento insieme a Bressani e Del Giudice e successivamente da solo. 

Occorre innanzitutto avere un’idea, un modello del sistema Palladio-Deuterio. La struttura generale della teoria porta naturalmente a modellizzare le oscillazioni delle antennine rilevanti come «oscillazioni di plasma», cioè quelle oscillazioni che atomi ionizzati compiono attorno alle loro posizioni di equilibrio nell’«atmosfera» di elettroni che li circonda e li neutralizza globalmente. La teoria di questi «plasmi» si costruisce senza molte difficoltà e abbastanza agevolmente si trovano le soluzioni. 

L’energetica del sistema Palladio-Deuterio è piuttosto complessa, ma uno studio recente spiega in modo soddisfacente perché il deuterio (o l’idrogeno) «ama» ammassarsi spontaneamente nel reticolo del Palladio, in quella che viene chiamata la fase-Beta, in cui i deutoni occupano le posizioni «ottaedriche». 

Ma l’analisi mostra che i deutoni possono oscillare attorno ad altre posizioni, le posizioni «tetraedriche», che sono stabili al disopra di un certo rapporto (0,8), maggiore del valore 0,65, termodinamicamente stabile. Per accedere a questa fase-gamma si deve quindi scoprire un metodo per «forzare» i deutoni a entrare in massa dentro il reticolo oltre l’affollamento normale. Le procedure elettrochimiche di Flaischmann e Pons anche se, come dicevo, in modo abbastanza aleatorio, sono in grado di indurre la transizione fra la fase-Beta e la fase-gamma. La domanda a cui dobbiamo ora rispondere è: in che modo nella fase-gamma si compiono i «miracoli» della fusione fredda? 

Basta dare uno sguardo alla disposizione dei deutoni nella fase-gamma per vedere che essi si trovano immersi in una «nuvola» di elettroni di grande densità e compattezza, la carica negativa degli elettroni «scherma» sensibilmente le barriere coulombiane, poiché la carica che il deutone nella posizione tetraedrica mostra a un generico deutone che si avvicina è la somma algebrica della carica del deutone e di quella degli elettroni, quindi decisamente più piccola. Possiamo dunque affermare che la barriera coulombiana nella fase-gamma è drasticamente abbassata e i calcoli danno piena conferma di questa predizione qualitativa. Questo per il primo «miracolo». Che cosa si può dire per il secondo? Nella fusione di Flaischmann e Pons, nel vuoto, l’unico meccanismo a disposizione è di eccitare uno degli oscillatori elettromagnetici dell’energia giusta (23,4 Mega-elettronvolt) e di «sparare» questo raggio gamma nello spazio circostante, affidandogli il compito di trasportare via l’energia eccedente. Ma a conti fatti, questo meccanismo è molto poco probabile perché per i minuscoli deutoni eccitare l’oscillatore elettromagnetico è impresa decisamente problematica. 

Nel sistema Palladio-Deuterio, la situazione è completamente diversa. Innanzi tutto i deutoni sono in uno stato coerente, quello che succede a uno succede a tutti. Attorno ad essi c’è un plasma il cui campo elettromagnetico è particolarmente forte (quello degli ioni di Palladio che oscillano attorno ai punti del reticolo); il campo elettromagnetico in grado di dissipare l’energia in eccesso è dunque già presente, non bisogna «fare carte false» come nel caso del vuoto. Pertanto quello che era il «canale» improbabile diventa, e di gran lunga, il favorito. L’analisi matematica di questa dinamica piuttosto complessa conferma pienamente questo scenario, e produce stime numeriche coerenti con l’osservazione. 

Questa, in sostanza, la visione che la coerenza elettrodinamica fornisce del «miracoloso» mondo della fusione fredda. Non c’è assolutamente nulla di «miracoloso», o almeno nulla di più «miracoloso» di quanto già non vi fosse nelle strane e affascinanti soluzioni non-perturbative del Laser a elettroni liberi. La fusione fredda non è che la punta dell’iceberg, il viaggio che abbiamo cominciato ci riserverà sicuramente altre sorprese.

AGOSTO 2024

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