Elio-3 lunare: sarà il futuro dell’energia?

Cosa c’entra una sostanza rarissima sulla Terra come l’elio-3 con la Luna? E perché sembra interessare tanta gente?

Ebbene, per quasi tutto il lungo periodo trascorso dalla sua formazione, la Luna non è mai stata circondata da un’atmosfera significativa né da un campo magnetico apprezzabile. Questi due fatti hanno permesso che le particelle proiettate nello spazio dal Sole finiscano in parte catturate dalla superficie lunare, composta di una polvere dalla grana molto fine.

Tra questi elementi soffiati dal Sole sulla superficie lunare c’è l’elio-3 (He-3), depositato anche dai raggi cosmici provenienti dallo spazio profondo.

Cos’è l’elio-3?

L’elio-3 è un isotopo leggero e stabile dell’elio con due protoni e un neutrone (al contrario, l’isotopo più comune, l’elio-4, ha due protoni e due neutroni). Oltre al protio ( idrogeno ordinario), l’elio-3 è l’unico isotopo stabile di qualsiasi elemento con più protoni che neutroni. L’elio-3 fu scoperto nel 1939.

L’elio-3 si presenta come un nuclide primordiale, che si libera dalla crosta terrestre nella sua atmosfera e fugge nello spazio nel corso di milioni di anni. Si ritiene inoltre che l’elio-3 sia un nuclide nucleogenico e cosmogenico naturale, prodotto quando il litio viene bombardato da neutroni naturali, che può essere rilasciato mediante fissione spontanea e reazioni nucleari con raggi cosmici. Parte dell’elio-3 trovato nell’atmosfera terrestre è anche un artefatto dei test atmosferici e subacquei sulle armi nucleari.

Sono state fatte molte speculazioni sulla possibilità dell’elio-3 come futura fonte di energia. A differenza della maggior parte delle reazioni di fusione nucleare , la fusione degli atomi di elio-3 è aneutronica, rilasciando grandi quantità di energia senza rendere radioattivo il materiale circostante. Tuttavia, le temperature richieste per ottenere le reazioni di fusione dell’elio-3 sono molto più elevate rispetto alle reazioni di fusione tradizionali, e il processo può creare altre reazioni che a loro volta renderebbero radioattivo il materiale circostante.

Si ritiene che l’abbondanza di elio-3 sia maggiore sulla Luna che sulla Terra, essendo stato creato nello strato superiore della regolite dal vento solare nel corso di miliardi di anni, sebbene ancora inferiore in abbondanza rispetto ai pianeti giganti del sistema solare.

L’elio-3 è quindi una sostanza interessante e già durante la guerra fredda, quando sulla Terra c’erano oltre 70 mila armi atomiche attive e pronte ad essere lanciate l’una contro l’altra, l’elio tre era nei pensieri di molti perché derivava dalla decomposizione del trizio contenuto nella testata riducendone l’efficacia esplosiva. Per questo i manutentori provvedevano ad aspirare l’elio-3 per poi utilizzarlo per altri usi.

L’elio-3 può essere utilizzato in un reattore a fusione, liberando alti livelli di energia, senza produrre sottoprodotti radioattivi, questo almeno in teoria.

Ma l’economia della fusione dell’elio-3 non sembra essere un’idea così brillante. In base ai dati ricavati dalle missioni Apollo, si dovrebbero setacciare più di 100 tonnellate di terreno lunare per produrre un singolo grammo di elio-3 e ne occorrerebbe più di 100.000 volte quella quantità per far funzionare un reattore da 1 gigawatt per un anno.

I reattori per fondere l’elio-3, inoltre, saranno costosi e complessi perché questa sostanza non ama fondersi facilmente con se stessa in un processo più pulito; ottenere la fusione He-3 / He-3 richiede temperature del plasma immensamente elevate, per rompere il legame tra gli atomi e farli avvicinare a sufficienza fino a fonderli e, sebbene l’elio-3 stesso non sia radioattivo, nessuno ha dimostrato che un significativo miglioramento delle radiazioni secondarie non comprometterà la sicurezza nel tempo.

Ci sono fonti più ricche di elio-3 nelle atmosfere di Giove e Saturno ma estrarre e portare l’elio-3 da quei luoghi è sicuramente, almeno per ora, un’impresa proibitiva e la strada lunare resta l’unica percorribile.

Inoltre, una volta che la tecnologia fosse matura, resterebbe il complesso problema del trasporto: portare elio-3 sulla Terra dalla Luna sarebbe o no un’impresa conveniente? Gli esperti assicurano di sì.

L’elio-3 si concentra per il 50% nei mari lunari che coprono il 20% della superficie lunare e Le analisi effettuate hanno ipotizzato la presenza di una percentuale dello 0.01% di elio-3 tra le rocce lunari (circa 1 milione di tonnellate).

Una tonnellata di elio-3 può produrre 10.000 MW/anno di elettricità. Quindi, 25 tonnellate. di elio 3 potrebbero soddisfare il bisogno di elettricità annuale degli Stati Uniti.

Nell’ipotesi in cui l’energia elettrica mantenga in futuro gli stessi costi, il valore dell’elio-3 sarebbe stimabile in 3 milioni di dollari per kg. Il suo costo energetico equivarrebbe a quello del petrolio quando costava 7 dollari il barile.

Nel futuro, l’utilizzo di questi reattori potrebbe affiancarsi alla ricerca spaziale e all’esplorazione dello spazio grazie allo sfruttamento delle risorse lunari. Dopo le prime missioni lunari del 69\72 la Luna è stata lasciata in disparte ma oggi torna prepotentemente a riscuotere interesse sia da parte della NASA che degli altri enti spaziali, ESA, Cina, Giappone e India in testa.

Per cosa si può utilizzare l’elio-3

Eco di rotazione dell’elio-3

L’elio-3 può essere utilizzato per eseguire esperimenti spin echo sulla dinamica della superficie, che sono in corso presso il Surface Physics Group presso il Cavendish Laboratory di Cambridge e presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Swansea.

Rilevazione di neutroni

L’elio-3 è un isotopo importante nella strumentazione per il rilevamento dei neutroni. Ha una sezione trasversale ad alto assorbimento per fasci di neutroni termici e viene utilizzato come gas convertitore nei rilevatori di neutroni. Il neutrone viene convertito attraverso la reazione nucleare

n + ³ He → ³ H + ¹ H + 0,764 MeV

in particelle cariche, ioni trizio (T, ³ H) e ioni idrogeno, o protoni (p, ¹ H) che vengono poi rilevati creando una nuvola di carica nel gas di arresto di un contatore proporzionale o di un tubo Geiger-Müller.

Inoltre, il processo di assorbimento è fortemente dipendente dallo spin, il che consente a un volume di elio-3 polarizzato in spin di trasmettere neutroni con una componente di spin mentre assorbe l’altra. Questo effetto viene impiegato nell’analisi della polarizzazione dei neutroni, una tecnica che sonda le proprietà magnetiche della materia.

Il Dipartimento per la Sicurezza Nazionale degli Stati Uniti aveva sperato di utilizzare rilevatori per individuare il plutonio di contrabbando nei container in base alle loro emissioni di neutroni, ma la carenza mondiale di elio-3 in seguito al calo della produzione di armi nucleari dopo la Guerra Fredda ha in una certa misura impedito ciò. A partire dal 2012, il DHS ha stabilito che la fornitura commerciale di boro-10 avrebbe sostenuto la conversione della sua infrastruttura di rilevamento dei neutroni a quella tecnologia.

Criogenica

Un frigorifero a elio-3 utilizza l’elio-3 per raggiungere temperature comprese tra 0,2 e 0,3 Kelvin. Un frigorifero a diluizione utilizza una miscela di elio-3 ed elio-4 per raggiungere temperature criogeniche fino a pochi millesimi di Kelvin.

Una proprietà importante dell’elio-3, che lo distingue dal più comune elio-4, è che il suo nucleo è un fermione poiché contiene un numero dispari di particelle con spin 1 ⁄ 2 . I nuclei di elio-4 sono bosoni, contenenti un numero pari di particelle con spin 1 ⁄ 2. Questo è il risultato diretto delle regole di addizione per il momento angolare quantizzato.

A basse temperature (circa 2,17 K), l’elio-4 subisce una transizione di fase: una frazione di esso entra in una fase superfluida che può essere approssimativamente intesa come un tipo di condensato di Bose-Einstein. Un tale meccanismo non è disponibile per gli atomi di elio-3, che sono fermioni.

È stato ampiamente ipotizzato, tuttavia, che l’elio-3 potrebbe anche diventare un superfluido a temperature molto più basse, se gli atomi si formassero in coppie analoghe alle coppie di Cooper nella teoria della superconduttività BCS. Ciascuna coppia di Cooper, avendo spin intero, può essere pensata come un bosone.

Durante gli anni ’70, David Lee, Douglas Osheroff e Robert Coleman Richardson scoprirono due transizioni di fase lungo la curva di fusione, che presto si resero conto che erano le due fasi superfluide dell’elio-3. La transizione a un superfluido avviene a 2.491 millikelvin sulla curva di fusione. Per la loro scoperta hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1996. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg e Tony Leggett hanno vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2003 per il loro lavoro sul perfezionamento della comprensione della fase superfluida dell’elio-3.

In un campo magnetico nullo, ci sono due distinte fasi superfluide di ³ He, la fase A e la fase B. La fase B è la fase a bassa temperatura e bassa pressione che presenta un gap energetico isotropo. La fase A è la fase a temperatura più elevata, pressione più elevata che è ulteriormente stabilizzata da un campo magnetico e presenta due nodi puntiformi nel suo intervallo.

La presenza di due fasi è una chiara indicazione che ^3He è un superfluido non convenzionale (superconduttore), poiché la presenza di due fasi richiede una simmetria aggiuntiva, diversa dalla simmetria di Gauge, per essere rotta. In effetti, è un superfluido ad onda p , con spin uno, S = 1, e momento angolare uno, L = 1.

Lo stato fondamentale corrisponde al momento angolare totale zero, J = S + L = 0 (addizione vettoriale). Gli stati eccitati sono possibili con momento angolare totale diverso da zero, J > 0, che sono modalità collettive di coppie eccitate. A causa dell’estrema purezza del superfluido ³ He (poiché tutti i materiali tranne ^{il 4} He si sono solidificati e affondati sul fondo del liquido ³ He e qualsiasi ⁴ He ha fasi completamente separate, questo è lo stato di materia condensata più puro), queste modalità collettive sono stati studiati con una precisione molto maggiore rispetto a qualsiasi altro sistema di abbinamento non convenzionale.

Imaging medico

I nuclei di elio-3 hanno uno spin nucleare intrinseco di 1 ⁄ 2 e un rapporto magnetogirico relativamente alto. L’elio-3 può essere iperpolarizzato utilizzando mezzi di non equilibrio come il pompaggio ottico a scambio di spin. ​​Durante questo processo, la luce laser infrarossa polarizzata circolarmente, sintonizzata sulla lunghezza d’onda appropriata, viene utilizzata per eccitare gli elettroni in un metallo alcalino, come il cesio o il rubidio, all’interno di un recipiente di vetro sigillato. Il momento angolare viene trasferito dagli elettroni dei metalli alcalini ai nuclei dei gas nobili attraverso collisioni.

In sostanza, questo processo allinea efficacemente gli spin nucleari con il campo magnetico per migliorare il segnale NMR. Il gas iperpolarizzato può quindi essere immagazzinato a pressioni di 10 atm, per un massimo di 100 ore. Dopo l’inalazione, le miscele di gas contenenti il ​​gas elio-3 iperpolarizzato possono essere visualizzate con uno scanner MRI per produrre immagini anatomiche e funzionali della ventilazione polmonare.

Questa tecnica è anche in grado di produrre immagini dell’albero delle vie aeree, individuare difetti non ventilati, misurare la pressione parziale dell’ossigeno alveolare e misurare il rapporto ventilazione/perfusione. Questa tecnica può essere fondamentale per la diagnosi e la gestione del trattamento di malattie respiratorie croniche come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), l’enfisema, la fibrosi cistica e l’asma.

Assorbitore di energia radio per esperimenti sul plasma tokamak

Sia il tokamak Alcator C-Mod del MIT che il Joint European Torus (JET) hanno sperimentato l’aggiunta di un po’ di elio-3 a un plasma H-D per aumentare l’assorbimento dell’energia a radiofrequenza (RF) per riscaldare gli ioni idrogeno e deuterio, un effetto “tre ioni”.

Combustibile nucleare

³ He può essere utilizzato nelle reazioni di fusione mediante una delle reazioni ² H + ³ He → ⁴ He + ¹ p + 18,3 MeV , o ³ He + ³ He → ⁴ He + 2 ¹ p + 12,86 MeV.

Il processo di fusione convenzionale deuterio + trizio (“DT”) produce neutroni energetici che rendono radioattivi i componenti del reattore con prodotti di attivazione. Il fascino della fusione dell’elio-3 deriva dalla natura aneutronica dei suoi prodotti di reazione. L’elio-3 stesso non è radioattivo.

L’unico sottoprodotto ad alta energia, il protone, può essere contenuto mediante campi elettrici e magnetici. L’energia della quantità di moto di questo protone (creato nel processo di fusione) interagirà con il campo elettromagnetico che lo contiene, determinando la generazione diretta di elettricità netta.

A causa della barriera di Coulomb più alta, le temperature richieste per la fusione ² H + ³ He sono molto più elevate di quelle della fusione DT convenzionale. Inoltre, poiché entrambi i reagenti devono essere mescolati insieme per fondersi, si verificheranno reazioni tra i nuclei dello stesso reagente e la reazione DD ( ² H + ² H ) produrrà un neutrone.

La velocità di reazione varia con la temperatura, ma la velocità di reazione D- ^3He non è mai superiore a 3,56 volte la velocità di reazione DD (vedere grafico). Pertanto, la fusione che utilizza combustibile D- ^3He alla giusta temperatura e una miscela di carburante magra di D può produrre un flusso di neutroni molto inferiore rispetto alla fusione DT, ma non è pulita, annullando parte della sua principale attrazione.

La seconda possibilità, fondendo ³ He con se stesso ( ³ He + ³ He ), richiede temperature ancora più elevate (poiché ora entrambi i reagenti hanno una carica +2), e quindi è ancora più difficile della reazione D- ³ He . Tuttavia, offre una possibile reazione che non produce neutroni; i protoni carichi prodotti possono essere contenuti utilizzando campi elettrici e magnetici, che a loro volta si traducono nella generazione diretta di elettricità. ^{La fusione 3} He + ³ He è fattibile come dimostrato in laboratorio e presenta immensi vantaggi, ma la fattibilità commerciale è prevista per molti anni nel futuro.

Le quantità di elio-3 necessarie in sostituzione dei combustibili convenzionali sono sostanziali rispetto alle quantità attualmente disponibili. La quantità totale di energia prodotta nella reazione ² D + ³ He è 18,4 M eV , che corrisponde a circa 493 megawattora (4,93×10 ⁸ W·h) per tre grammi (una mole) di ³ He. Se la quantità totale di energia potesse essere convertita in energia elettrica con un’efficienza del 100% (cosa fisicamente impossibile), corrisponderebbe a circa 30 minuti di produzione di un impianto elettrico da un gigawatt per mole di ³ He.

Pertanto, la produzione di un anno (a 6 grammi per ogni ora di funzionamento) richiederebbe 52,5 chilogrammi di elio-3. La quantità di combustibile necessaria per applicazioni su larga scala può essere espressa anche in termini di consumo totale: il consumo di elettricità di 107 milioni di famiglie statunitensi nel 2001 ammontava a 1.140 miliardi di kW·h (1,14×10 ¹⁵ W·h). Assumendo nuovamente un’efficienza di conversione del 100%, sarebbero necessarie 6,7 tonnellate all’anno di elio-3 per quel segmento della domanda energetica degli Stati Uniti, da 15 a 20 tonnellate all’anno data un’efficienza di conversione end-to-end più realistica.

Un approccio di seconda generazione alla potenza di fusione controllata prevede la combinazione di elio-3 e deuterio, ² D. Questa reazione produce una particella alfa e un protone ad alta energia. Il vantaggio potenziale più importante di questa reazione di fusione per la produzione di energia e per altre applicazioni risiede nella sua compatibilità con l’uso di campi elettrostatici per controllare gli ioni di combustibile e i protoni di fusione.

I protoni ad alta velocità, in quanto particelle caricate positivamente, possono convertire la loro energia cinetica direttamente in elettricità, attraverso l’uso di materiali di conversione allo stato solido e altre tecniche. Potrebbero essere possibili efficienze di conversione potenziali del 70%, poiché non è necessario convertire l’energia dei protoni in calore per azionare un generatore elettrico alimentato da una turbina.

Centrali elettriche He-3

Ci sono state molte affermazioni sulle capacità delle centrali elettriche a elio-3. Secondo i sostenitori, centrali a fusione funzionanti con deuterio ed elio-3 offrirebbero costi di capitale e operativi inferiori rispetto ai loro concorrenti a causa della minore complessità tecnica, maggiore efficienza di conversione, dimensioni ridotte, assenza di combustibile radioattivo, assenza di inquinamento dell’aria o dell’acqua e solo i requisiti per lo smaltimento dei rifiuti radioattivi a bassa attività.

Stime recenti suggeriscono che saranno necessari circa 6 miliardi di dollari di capitale di investimento per sviluppare e costruire la prima centrale elettrica a fusione con elio-3. Il pareggio finanziario agli attuali prezzi all’ingrosso dell’elettricità (5 centesimi di dollaro per kilowattora) si verificherebbe dopo che cinque impianti da 1 gigawatt fossero in funzione, sostituendo vecchi impianti convenzionali o soddisfacendo la nuova domanda.

La realtà non è, però, così chiara. I programmi di fusione più avanzati al mondo sono la fusione a confinamento inerziale (come National Ignition Facility) e la fusione a confinamento magnetico (come ITER e Wendelstein 7-X). Nel primo caso, non esiste una solida tabella di marcia per la produzione di energia. Nel caso di quest’ultimo, la produzione di energia commerciale non è prevista fino al 2050 circa. In entrambi i casi, il tipo di fusione discusso è il più semplice: la fusione DT.

La ragione di ciò è la barriera di Coulomb molto bassa per questa reazione; per D+ ³ He la barriera è molto più alta, ed è ancora più alta per ³ He– ³ He. Il costo immenso di reattori come ITER e National Ignition Facility è in gran parte dovuto alle loro immense dimensioni, ma per raggiungere temperature del plasma più elevate sarebbero necessari reattori molto più grandi.

Il protone da 14,7 MeV e la particella alfa da 3,6 MeV della fusione D– ³ He, oltre alla maggiore efficienza di conversione, significano che si ottiene più elettricità per chilogrammo rispetto alla fusione DT (17,6 MeV), ma non molto di più. Come ulteriore svantaggio, le velocità di reazione per le reazioni di fusione dell’elio-3 non sono particolarmente elevate, richiedendo un reattore ancora più grande o più reattori per produrre la stessa quantità di elettricità.

Alternative all’He-3

Per tentare di aggirare questo problema di centrali elettriche di grandi dimensioni che potrebbero non essere nemmeno economiche con la fusione DT, per non parlare della fusione D- ³ He molto più impegnativa, sono stati proposti numerosi altri reattori: Fusor, Polywell, Focus, e molti altri, sebbene molti di questi concetti abbiano problemi fondamentali nel raggiungimento di un guadagno energetico netto, e generalmente tentino di ottenere la fusione in disequilibrio termico, qualcosa che potrebbe potenzialmente rivelarsi impossibile e, di conseguenza, questi programmi a lungo termine tendono a hanno difficoltà a ottenere finanziamenti nonostante i loro budget bassi.

A differenza dei sistemi di fusione “grandi” e “caldi”, tuttavia, se tali sistemi dovessero funzionare, potrebbero raggiungere i combustibili “aneutronici” con barriera più elevata, e quindi i loro sostenitori tendono a promuovere la fusione pB, che non richiede combustibili esotici come elio-3.

Prospettive

La Luna, in futuro, potrebbe essere un luogo ideale per estrarre elio 3 e molti minerali che ci aiuterebbero anche a capire storia, formazione, composizione e struttura del nostro satellite, dandoci indirettamente informazioni anche sui pianeti rocciosi del sistema solare.

La Luna potrebbe, inoltre, diventare un punto strategico sotto alcuni aspetti, dell’esplorazione spaziale, ad esempio, e un punto ideale per sviluppare nuove tecnologie o produrre in loco energia da inviare alla Terra tramite l’utilizzo di microonde.

Per attuare questi progetti, però, bisogna superare enormi problemi tecnologici e ostacoli come i trattati internazionali che pongono restrizioni sullo sfruttamento economico della Luna giudicata come “bene comune”.

Nel 1967 fu stabilito per la Luna all’interno dell’Outer Space Treaty che «nessun soggetto nazionale ne può rivendicare la sovranità con fini di sfruttamento o di occupazione».

Successivamente, con le tre edizioni dello US Commercial Space Act, nel 1997, 1998 e nel 2004, le interpretazioni sono diventate più possibiliste. In pratica, però, lo sfruttamento commerciale della Luna richiederebbe nuovi accordi internazionali.