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In un mondo in cui è sempre più facile sentirsi smarriti, uno spiraglio di luce racconta una realtà profonda e ancestrale: “siamo polvere di stelle che studia le stelle, il tentativo dell’universo di comprendere sé stesso”. Potrebbe risultare poetico, a tratti banale, ma le parole di Carl Sagan, noto astrofisico statunitense, nascondono una realtà scientifica che lascia poco spazio a interpretazioni. “L’azoto nel nostro DNA, il calcio nei nostri denti e il ferro nel nostro sangue” sono elementi chimici derivati dal ciclo di nascita e morte delle stelle, giunti fino a noi nel corso di miliardi di anni. Ma siamo davvero figli delle stelle, come cantava Alan Sorrenti?

Come nascono le stelle
Il ciclo vitale delle stelle
Il ciclo cosmico
Il corpo umano come testimone
Il ruolo dell’ossigeno e del carbonio
Figli delle stelle

Come nascono le stelle

Le stelle sono corpi celesti che producono energia, vere e proprie fucine cosmiche che generano gli elementi fondamentali per la vita, come carbonio, ossigeno, calcio e ferro. Hanno origine all’interno delle nebulose, grandi nubi interstellari di polveri sottili e gas freddi in movimento. Questi materiali, sotto l’effetto della gravità, interagiscono tra loro e si aggregano in zone ad alta intensità chiamate Globuli di Bok. Quando la contrazione prosegue, la temperatura aumenta e dal collasso dei materiali nasce una protostella; se la massa è sufficiente, un ulteriore incremento di pressione innesca la fusione nucleare dell’idrogeno in elio. Tale evento segna l’inizio della vita della stella e la sua fase più lunga, nota come sequenza principale.

Il ciclo vitale delle stelle

Le stelle possono brillare per milioni o miliardi di anni ma, terminato l’idrogeno, la loro esistenza dipende dalla massa iniziale:

Stelle di piccola massa non raggiungono temperature sufficienti a fondere l’elio e, dopo aver attraversato la fase di gigante rossa ed espulso gli strati più esterni, terminano la loro vita come nane bianche, destinate a raffreddarsi lentamente nel corso di miliardi di anni;
Se la massa è pari o leggermente superiore a quella del Sole, evolvono in giganti rosse, innescando reazioni termonucleari che trasformano l’elio in carbonio e ossigeno. Al termine del processo, la stella espelle gli strati più esterni, dando origine a una nebulosa planetaria;
Stelle di grande massa cominciano a fondere elementi progressivamente più pesanti, fino a quando il nucleo non si arricchisce di ferro. Raggiunta una massa critica, non potendo sostenere oltre la pressione gravitazionale, collassano e innescano un’esplosione di supernova, uno degli eventi più energetici dell’universo;
Il corpo celeste estremamente compatto che permane dopo l’esplosione della supernova, a seconda delle dimensioni della stella originaria, diventa una stella di neutroni o un buco nero;
Nebulosa Planetaria Piccolo Manubrio. Fonte.

Il ciclo cosmico

Durante le reazioni di fusione nucleare, le stelle- in particolare le esplosioni di supernove, che producono elementi progressivamente più pesanti – generano carbonio, azoto, ossigeno, magnesio, zolfo, fosforo, calcio e ferro. Giunti al termine del ciclo vitale, i corpi celesti di dimensioni minori espellono lentamente gli strati esterni, mentre quelli di massa maggiore disperdono violentemente nello spazio i loro prodotti. Una parte di questi, uniti al gas interstellare in progressivo raffreddamento, contribuisce alla formazione di nuove stelle e pianeti. Il ciclo cosmico di nascita e morte, dunque, arricchisce l’universo proprio con quegli stessi elementi che portano alla formazione di nuovi sistemi planetari e in alcuni casi, come accaduto sulla Terra, rendono possibile la comparsa della vita.

Il corpo umano come testimone

Il corpo umano è un sistema complesso, il prodotto di un numero incredibile di atomi riuniti a formare molecole, cellule, tessuti, organi e apparati. Secondo i dati forniti dall’osservatorio della NASA Chandra X, la maggior parte degli atomi che compongono gli esseri umani proviene dall’esplosione di stelle massicce, una parte minore dalla fusione del Big Bang e una quantità ancor più ridotta dall’esplosione di nane bianche. Il corpo umano è costituito principalmente da quattro elementi chimici: ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Ma come si trasformano in composti essenziali per la vita?

Il ruolo dell’ossigeno e del carbonio

Prendiamo in considerazione l’ossigeno e il carbonio. L’ossigeno è l’elemento più abbondante sulla Terra e rappresenta il carburante essenziale per il funzionamento del corpo umano. È indispensabile nella respirazione cellulare, il processo attraverso cui la cellula, mediante la demolizione di sostanze organiche, ottiene energia sotto forma di ATP. Viene trasportato nel corpo dai globuli rossi, legato all’emoglobina che lo distribuisce ai tessuti. Inoltre, il legame semplice tra un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno dà vita al principale costituente della materia vivente: l’acqua.

La struttura del carbonio consente invece di formare legami covalenti molto forti, dando origine a molecole stabili e complesse. In particolare, le sue catene rappresentano la struttura portante dei composti biologici (carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici). Combinandosi con atomi aventi proprietà diverse, come idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo, forma i cosiddetti gruppi funzionali. Questi, inseriti sui vari scheletri carboniosi, consentono la formazione delle biomolecole. La vita che conosciamo non sarebbe possibile senza il carbonio. Lo ritroviamo nei carboidrati, fonte di energia, nei lipidi, fondamentali costituenti delle membrane cellulari, negli acidi nucleici, portatori dell’informazione genetica, o negli ormoni, come l’adrenalina.

Figli delle stelle

I nostri capelli, gli occhi, le labbra, persino i neuroni, sono formati da elementi che hanno percorso centinaia di migliaia di anni luce prima di giungere fino a noi. Pensare che il nostro codice genetico sia stato scritto dalle stelle sembra poesia, ma è pura scienza. Intere esistenze si consumano nella convinzione di essere piccole e insignificanti, eppure siamo parte integrante di un universo straordinario di cui noi stessi siamo testimonianza. Forse Alan Sorrenti non aveva tutti i torti: noi siamo figli delle stelle.

Federica Virecci Fana

Sitografia:

https://www.treccani.it/enciclopedia/stella/

https://www.focus.it/temi/evoluzione-stellare

https://www.saperescienza.it/rubriche/astronomia-e-spazio/perche-siamo-polvere-di-stelle-17-9-2021/

https://www.repubblica.it/scienze/2017/07/28/news/siamo_polvere_di_stelle_ma_di_altre_galassie_gli_astrofisici_riscrivono_le_origini-171801463/#:~:text=Le%20stelle%20sono%20dentro%20di,quale%20state%20leggendo%20questa%20storia.

https://www.ilmeteo.net/notizie/scienza/terra-carbonio-vita-combustibili-fossili.html#google_vignette

Gli scienziati che studiano l’energia da fusione nucleare presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, hanno annunciato martedì 13 Dicembre 2022 di aver superato una pietra miliare tanto attesa nella riproduzione della potenza del sole in un laboratorio.
Gli studiosi parlano da decenni di come la fusione, la reazione nucleare che fa brillare le stelle, potrebbe fornire una fonte futura di energia pulita e illimitata.

Indice dei contenuti:

L’annuncio
L’esperimento
Una storia travagliata
Prospettive per il futuro
- Altri esperimenti
Conclusioni

L’annuncio

Martedì è stata annunciata la prima reazione di fusione in laboratorio che ha prodotto più energia di quella necessaria per avviare la reazione.
“Questo è un esempio così meraviglioso di una possibilità realizzata, di una pietra miliare scientifica raggiunta e di una strada da percorrere verso le possibilità di energia pulita“, ha detto Arati Prabhakar, consigliere scientifico della Casa Bianca, durante la conferenza stampa di martedì.
Se la fusione potesse essere utilizzata su larga scala, offrirebbe una fonte energetica priva d’inquinamento causato dalla combustione di combustibili fossili e di pericolose scorie radioattive a lunga vita.
La fusione nucleare si verifica quando due o più atomi vengono fusi, un processo che genera un’enorme quantità di energia sotto forma di calore. A differenza della fissione nucleare, utilizzata finora nelle centrali nucleari, che alimentano l’elettricità in tutto il mondo, non genera scorie radioattive a lunga vita.

Immagine esplicativa della fusione nucleare ©Jacopo Burgio

Il progetto National Ignition Facility crea energia dalla fusione nucleare mediante quella che è nota come “fusione inerziale termonucleare”. All’interno del Sole e delle stelle, la fusione combina continuamente gli atomi di idrogeno in elio, producendo luce solare e calore che irradia i pianeti.

L’esperimento

In tutti gli sforzi degli scienziati per controllare il potere della fusione, i loro esperimenti hanno consumato più energia rispetto alle reazioni di fusione generate. Ciò è cambiato il 5 dicembre, quando 192 laser giganti presso il National Ignition Facility hanno fatto esplodere un cilindro che conteneva una protuberanza di idrogeno dentro un diamante.
I raggi laser sono entrati nella parte superiore e inferiore del cilindro, vaporizzandolo. Ciò ha generato un assalto di raggi X che hanno compresso un pellet combustibile di dimensioni BB (4,6 mm di diametro) di deuterio e trizio, isotopi di idrogeno.

In 100 trilionesimi di secondo, 2,05 megajoule di energia, l’equivalente di mezzo chilo di TNT, hanno bombardato la pallina di idrogeno. È uscita un’ondata di particelle di neutroni (il prodotto della fusione) che trasportava circa 3 megajoule di energia, un guadagno del 50% in energia. Questo ha superato la soglia dell’accensione, la linea di demarcazione in cui l’energia generata dalla fusione è uguale all’energia dei laser che avviano la reazione.

Una storia travagliata

L’esperimento di successo raggiunge finalmente l’obiettivo di accensione che era stato promesso quando è iniziata la costruzione della National Ignition Facility nel 1997. Dall’inizio delle operazioni nel 2009, tuttavia, la struttura non ha generato quasi alcuna fusione, una delusione dopo un investimento di 3,5 miliardi. Nel 2014, gli scienziati di Livermore hanno finalmente avuto successo, ma l’energia prodotta era minuscola. I progressi negli anni successivi furono piccoli. Nell’Agosto dello scorso anno, la struttura ha prodotto un migliore risultato: il 70% in più di energia rispetto all’energia della luce laser.
In un’intervista, Mark Herrmann, direttore del programma per la fisica e il design delle armi al Livermore, ha affermato che i ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti per comprendere meglio il sorprendente successo di Agosto. Hanno lavorato per aumentare l’energia dei laser di quasi il 10% e migliorare la progettazione dell’apparato.
Il primo colpo laser a 2,05 megajoule è stato eseguito a settembre e quel primo tentativo ha prodotto 1,2 megajoule di energia di fusione. Inoltre, l’analisi ha mostrato che il pellet sferico di idrogeno non è stato schiacciato in modo uniforme. Parte dell’idrogeno è essenzialmente schizzato fuori dal lato e non ha raggiunto le temperature di fusione.

Prospettive per il futuro

Lo scopo principale della National Ignition Facility è condurre esperimenti per aiutare gli Stati Uniti a mantenere le proprie armi nucleari. Ciò rende provvisorie le implicazioni immediate per la produzione di energia. La fusione sarebbe essenzialmente una fonte di energia priva di emissioni e aiuterebbe a ridurre la necessità di centrali elettriche a carbone e gas naturale, che immettono nell’atmosfera miliardi di tonnellate di anidride carbonica che riscaldano il pianeta ogni anno.
Gli sforzi di fusione fino ad oggi hanno utilizzato principalmente reattori a forma di ciambella noti come tokamak. All’interno dei reattori, l’idrogeno gassoso viene riscaldato a temperature sufficientemente elevate da strappare gli elettroni dai nuclei di idrogeno.
Si crea così il plasma: nuvole di nuclei caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente. I campi magnetici intrappolano il plasma all’interno della forma a ciambella e i nuclei si fondono insieme, rilasciando energia sotto forma di neutroni che volano verso l’esterno. (Qui un nostro articolo dedicato)
Il lavoro al NIF adotta un approccio diverso, ma finora è stato fatto poco per trasformare in realtà l’idea di una centrale elettrica a fusione laser. NIF è il laser più potente del mondo, ma è lento e inefficiente, basandosi su una tecnologia vecchia di decenni. L’apparato, delle dimensioni di uno stadio sportivo, è progettato per eseguire esperimenti scientifici di base, non per fungere da prototipo per la generazione di elettricità.

I laser della National Ignition Facility, dove è stato condotto l’esperimento di fusione nucleare. ©Damien Jemison/LLNL

Ha una media di circa 10 scatti a settimana. Una struttura commerciale che utilizza l’approccio della fusione laser avrebbe bisogno di laser molto più veloci, in grado di sparare alla velocità di una mitragliatrice, forse 10 volte al secondo. Inoltre, il NIF consuma ancora molta più energia di quella prodotta dalle reazioni di fusione.
L’ultimo esperimento ha prodotto un guadagno netto di energia rispetto all’energia dei 2,05 megajoule nei raggi laser in arrivo. NIF aveva bisogno di estrarre 300 megajoule di energia dalla rete elettrica per generare il breve impulso laser.

Altri esperimenti

Altri tipi di laser sono più efficienti, ma gli esperti affermano che una centrale elettrica a fusione laser praticabile richiederebbe probabilmente guadagni di energia molto più elevati rispetto all’1,5 osservato in questo ultimo colpo di fusione.
“Avrai bisogno di guadagni da 30 a 100 per ottenere più energia per una centrale elettrica“, ha detto il dottor Herrmann.
I ricercatori altrove stanno esaminando le variazioni dell’esperimento NIF. Altri tipi di laser a diverse lunghezze d’onda potrebbero riscaldare l’idrogeno in modo più efficiente. Alcuni ricercatori preferiscono un approccio “direct drive” alla fusione laser, utilizzando la luce laser per riscaldare direttamente l’idrogeno. Ciò porterebbe più energia all’idrogeno, ma potrebbe anche creare instabilità che ostacolano le reazioni di fusione.

Conclusioni

I risultati annunciati martedì andranno a beneficio degli scienziati che lavorano alle scorte nucleari eliminando di fatto la presenza delle scorie, lo scopo principale del NIF. Eseguendo queste reazioni nucleari in un laboratorio su scala meno distruttiva, gli scienziati mirano a sostituire i le detonazioni di bombe nucleari sotterranee, che gli Stati Uniti hanno fermato nel 1992.
La maggiore produzione di fusione dalla struttura produrrà più dati “che ci consentono di mantenere la fiducia nel nostro deterrente nucleare senza la necessità di ulteriori test sotterranei“, ha affermato il dott. Herrmann.
Riccardo Betti, capo scienziato del Laboratorio di Energetica Laser dell’Università di Rochester, che non è stato coinvolto in questo particolare esperimento di Livermore, ha dichiarato: “Questo è l’obiettivo, dimostrare che si può accendere un combustibile termonucleare in laboratorio per la prima volta.“

Purtroppo ancora l’energia nucleare è un tipo di energia che ricorda, a molti, i disastri di Chernobyl e Fukushima, ma questo non ci deve fermare nel guardare al futuro. Scientificamente è, secondo il nostro modesto parere, la migliore fonte di energia che potremmo sfruttare.
Il risultato raggiunto il 13 Dicembre è la dimostrazione di come lo sfruttamento di una fonte di energia pulita e illimitata non sia poi così tanto lontana.

Gabriele Galletta

Bibliografia

Fonte: https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition

Tag: fusione nucleare

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