I motori spaziali al plasma e la sfida della fusione nucleare

La scorsa settimana ci siamo lasciati sulla definizione di "plasma", che è quella di "gas ionizzato", ovvero un gas in cui elettroni e ioni (i nuclei degli atomi) sono liberi di muoversi gli uni rispetto agli altri. Questa sua particolare caratteristica ne consente l’utilizzo in svariate applicazioni pratiche. Sette giorni fa ve ne abbiamo presentate solo alcune un po’ vintage (leggi qui). Oggi invece parliamo di presente e soprattutto di futuro.

Il fatto che elettroni e ioni siano liberi di muoversi uno rispetto all’altro fa si che il plasma, rispetto a un semplice gas, sia sensibile e reagisca alla presenza di campi elettromagnetici. Un esempio su tutti è che il plasma diventa un conduttore. È proprio l’emergere di queste nuove peculiarità che dal punto di vista teorico definisce il passaggio di stato da gas a plasma, così come un cambio di altre caratteristiche definisce il passaggio da solido a liquido o da liquido a gassoso. Ed allo stesso tempo è grazie a queste nuove caratteristiche che ha dato luogo alla maggior parte delle applicazioni. Ne presentiamo qui una dal nome fantascientifico ma che è già realtà da diversi anni: i motori spaziali al plasma. In parole povere, mettete un po’ di gas in un contenitore, ionizzatelo e poi sottoponetelo ad un campo elettrico in una direzione. Gli elettroni carichi negativamente e gli ioni carichi positivamente si muoveranno nella direzione del campo elettrico in verso opposto. Aprite allora il lato del contenitore verso il quale si dirigono gli ioni, e vedrete che questi usciranno a velocità elevate (a seconda del campo elettrico applicato). La conservazione del momento, anche detta “rinculo”, spingerà il contenitore. Se quel contenitore lo attaccate ad un satellite o un piccolo rover esploratore, ecco che avete l’idea di base di un sistema di propulsione spaziale. La realizzazione ingegneristica è ovviamente molto più complessa, con strategie di accelerazione degli ioni molto diverse che portano a diversi tipi di motori spaziali al plasma. Alcuni, per esempio, non applicano un campo elettrico esterno, ma sfruttano i campi elettromagnetici creati dal movimento delle cariche stesse nel plasma, riuscendo ad accelerare sia ioni che elettroni nella stessa direzione, aumentando così la spinta a parità di carburante. Interessante, no? Se però vi state chiedendo se potremo mai viaggiare su un’auto alimentata al plasma, o se la Ferrari potrà sfruttare questa tecnologia per vincere il mondiale di Formula 1, sappiate che il sistema non può essere usato qui sulla terra. La spinta prodotta è dell'ordine di grandezza di quella che esercitate giornalmente per inserire il cavo USB nel vostro cellulare, troppo piccola per vincere attrito e pressione atmosferica e spostare mezzi di trasporto. Purtroppo non troveremo alcun benzinaio intento a chiederci: “Benzina, diesel o plasma?”.

Parliamo ora di futuro energetico mondiale: la fusione nucleare. Che c’entra il plasma con il metodo considerato il Sacro Graal della produzione di energia? Per capirlo, dobbiamo spiegare in due parole come funziona la fusione. Due nuclei fatti scontrare ad altissime energie possono unirsi (fondersi) fra loro creando nuclei di nuovi elementi e altre particelle. Nelle reazione di fusione di interesse per la produzione di energia, la somma delle masse finali è inferiore alla somma delle masse iniziali. Ricordate la formula E=mc^2 che ci dice che energia e massa possono trasformarsi l’una nell’altra? Bene: la differenza in massa viene trasformata in energia cinetica dei prodotti dello scontro che, se “raccolta” in qualche modo, può essere usata per produrre energia elettrica. Qual è l’attrattiva di questo processo rispetto all’uso di combustibili fossili o della fissione nucleare? La fusione nucleare permetterebbe di produrre grandissime quantità di energia a minore impatto ambientale, non influendo sull’effetto serra e senza rilasciare scorie radioattive paragonabili a quelle dei reattori a fissione.

Al momento però, le reazioni nucleari a fusione non sono per nulla efficienti, perché richiedono per essere prodotte più energia di quella che rilasciano. Il problema fondamentale risiede in quel “ad altissime energie” di qualche frase fa. Queste energie di scontro vanno raggiunte scaldando gas ad enormi temperature, centinaia di milioni di gradi centigradi, pari e superiori a quelle delle stelle. Inoltre, anche riuscendo a scaldare un gas a tali temperature, in quale recipiente potremmo contenere questo “pezzo di stella”? Ed è qui che entrano in gioco i plasmi. Molto prima di raggiungere tali temperature, infatti, il gas si ionizza diventando plasma. Il fatto che il plasma sia sensibile ai campi elettromagnetici ci permette di confinarlo e contenerlo senza l’utilizzo di un contenitore che non reggerebbe alle elevate temperature. Inoltre, i campi creati dal movimento delle cariche stesse possono essere gestiti in maniera tale da aiutare l’incremento della temperatura. Tuttavia, l’energia per creare questi campi magnetici di confinamento, sommato a quella necessaria per riscaldare il plasma, è per ora superiore a quella che si riesce poi a raccogliere dal processo. ITER, un progetto internazionale con sede in Provenza, dovrebbe riuscire a dimostrare che è possibile produrre più energia di quella necessaria a scaldare e contendere il plasma per realizzare la fusione nucleare. Questa macchina sperimentale dovrebbe produrre il primo plasma nei prossimi 5 anni. Il secondo step sarebbe la costruzione di un prototipo di centrale a fusione vera e propria, DEMO, che si prefigge l’ambizioso obiettivo di produrre energia entro il 2050.

Potete ben immaginare che le idee di base che abbiamo descritto nei paragrafi precedenti rappresentano una grande semplificazione di studi teorici ed ingegneristici estremamente complessi. Dal punto di vista teorico, per esempio, la modellizzazione matematica del comportamento dei plasmi sotto campi elettromagnetici è descritta da complicate equazioni matematiche che vanno sotto il nome di equazioni della magnetoidrodinamica. Viste le importanti applicazioni, non c’è da stupirsi se lo studio dettagliato dei plasmi sia diventato un campo della fisica a sé stante, con riviste scientifiche e corsi di studio interamente dedicati al tema. Se tra voi lettori c’è un futuro studente in fisica, egli sappia che, dopo la triennale, può decidere di iscriversi al corso di studio magistrale in Plasma Physics.

Piccola nota finale sugli stati della materia: è sufficiente aggiungere il quarto stato, il plasma, a quelli che tutti conosciamo, solido, liquido e gassoso, per completare il quadro? In realtà, i recenti progressi scientifici hanno mostrato che in condizioni estreme di temperatura, pressione o energia la materia si può organizzare in modi ancora differenti, dando vita a nuovi stati più esotici. Superfluidi, condensati di Bose-Einstein e condensati fermionici sono solo alcuni dei nomi di tali stati. Sono tuttavia molto rari, motivo per cui i tre solitamente conosciuti e il plasma al quale abbiamo provato a introdurvi in questi due articoli, sono chiamati stati "fondamentali" della materia ordinaria.

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