Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

Nel profondo dei nuclei delle stelle e negli interni di pianeti giganti come Giove, gli atomi sono costretti insieme con tale intensità da fondersi, rilasciando l'energia che rende questi corpi celesti luminosi e caldi. Sulla Terra, gli scienziati cercano da tempo di replicare questo processo in laboratorio, ma il compito è notoriamente difficile. I nuclei atomici sono carichi positivamente e si respingono naturalmente l'un l'altro, come due potenti magneti che si spingono via. Per farli fondere, devono essere scagliati l'uno contro l'altro a velocità incredibilmente elevate per superare questa repulsione, una barriera che solitamente richiede temperature di milioni di gradi. Tuttavia, negli ambienti densi e freddi presenti all'interno dei pianeti, gli atomi si muovono molto più lentamente, e la fusione dovrebbe essere impossibile. Eppure, esiste una forza sottile nel mondo materiale che potrebbe cambiare questo scenario: gli elettroni circostanti in un metallo possono agire come uno scudo, indebolendo la spinta repulsiva tra i nuclei e permettendo loro di avvicinarsi abbastanza da fondersi anche a temperature relativamente basse.

Per decenni, i ricercatori hanno cercato di osservare questo fenomeno, noto come schermatura elettronica, sparando fasci di deuterio — una forma pesante dell'idrogeno — in bersagli metallici. Sebbene esperimenti precedenti avessero mostrato che il tasso di reazione aumentava man mano che il fascio rallentava, nessuno era mai riuscito a osservare con successo la reazione di fusione che avviene a energie veramente termiche, dove gli atomi si muovono con la stessa lentezza di quanto farebbero in una stanza calda. Un team di fisici in Polonia ha ora compiuto un passo cruciale in avanti, riportando la prima osservazione diretta della fusione deuterio-deuterio che avviene a queste velocità termiche. Sparando ioni di deuterio in blocchi di zirconio, titanio e palladio, hanno scoperto un nuovo e sorprendente comportamento: alle energie più basse, la reazione non rallentava e non si fermava semplicemente come previsto. Invece, si stabilizzava in un tasso costante e regolare che persisteva indipendentemente da quanto diventasse lento il fascio.

I ricercatori ci sono riusciti utilizzando un sistema di accelerazione altamente raffinato, capace di rallentare i fasci di deuterio fino a energie di soli 625 elettron-volt, un livello di precisione precedentemente irraggiungibile per questo tipo di esperimento. Hanno bombardato bersagli metallici che erano stati saturati con atomi di deuterio e misurato i protoni prodotti quando i nuclei si fondevano. Man mano che abbassavano l'energia del fascio, il numero di eventi di fusione diminuiva drasticamente, seguendo una curva prevedibile causata dalla crescente difficoltà di superare la repulsione atomica. Tuttavia, una volta che l'energia è scesa al di sotto di una certa soglia, la resa della reazione ha smesso di calare. Si è appiattita in un plateau, un flusso costante di eventi di fusione che continuava anche quando le particelle in entrata si muovevano a velocità termiche.

Questo plateau non era solo una linea piatta; portava con sé una firma distinta che rivelava la natura dell'evento. In una normale reazione di fusione, i protoni risultanti volano via con una velocità specifica determinata dall'energia della collisione. Ma in questo plateau a bassa energia, i protoni rilevati avevano energie significativamente più alte di quelle che il lento fascio avrebbe dovuto produrre. Ciò indicava che la fusione non stava avvenendo tra il veloce fascio e il bersaglio stazionario, ma piuttosto tra atomi di deuterio che erano essenzialmente a riposo l'uno rispetto all'altro. La reazione stava avvenendo in uno stato di equilibrio termico, dove i nuclei si fondevano a causa del calore generato all'interno del metallo, piuttosto che per la velocità del fascio in entrata.

Per spiegare come ciò potesse accadere, il team si è rivolto a un modello che coinvolge il danno microscopico causato dal fascio stesso. Quando un ione ad alta energia colpisce il metallo, crea un piccolo percorso cilindrico di calore intenso, noto come traccia ionica. All'interno di questa traccia microscopica, la temperatura aumenta così tanto da fondere momentaneamente il reticolo metallico, creando una regione di estrema agitazione termica. In questo stato fuso e altamente eccitato, gli atomi di deuterio intrappolati nel metallo diventano incredibilmente mobili, diffondendosi rapidamente e collidendo tra loro. I ricercatori hanno scoperto che le proprietà del metallo giocavano un ruolo critico: il palladio, che permette all'idrogeno di muoversi molto facilmente, mostrava un effetto molto più forte rispetto allo zirconio o al titanio. Ciò ha confermato che la facilità con cui gli atomi di deuterio possono muoversi attraverso le tracce riscaldate è un fattore chiave nel guidare la reazione di fusione.

Lo studio ha inoltre evidenziato l'importanza della struttura interna del materiale. I metalli utilizzati contenevano piccole imperfezioni e impurità che aiutavano a intrappolare gli elettroni, potenziando ulteriormente l'effetto di schermatura che permetteva ai nuclei di avvicinarsi abbastanza da fondersi. Nel caso del titanio, l'effetto era così pronunciato che il tasso di reazione aumentava di un fattore diecimila rispetto a quanto previsto senza questi effetti. Il team ha calcolato che la combinazione di questa schermatura elettronica, una specifica risonanza nel nucleo di elio che agisce come un ponte temporaneo per la reazione e le alte temperature all'interno delle tracche ioniche, potrebbe aumentare il tasso di fusione di molti ordini di grandezza.

Questa scoperta non significa che un impianto di energia sia pronto per essere costruito domani, ma cambia fondamentalmente la nostra comprensione di come la fusione nucleare possa avvenire nel mondo naturale. Suggerisce che nei densi e freddi interni dei pianeti giganti, dove le temperature sono troppo basse per la fusione tradizionale, processi simili che coinvolgono la schermatura elettronica e il riscaldamento locale potrebbero generare energia. Le scoperte aprono anche una nuova porta alla ricerca di laboratorio, mostrando che, selezionando attentamente i materiali e comprendendo il loro comportamento microscopico, gli scienziati possono creare condizioni in cui la fusione avviene a energie termiche. Il lavoro fornisce una spiegazione concreta per un fenomeno che un tempo era considerato impossibile, colmando il divario tra gli atomi lenti e freddi di un metallo e il cuore ardente di una stella.