Come funziona il reattore E-Cat QuarkX?

Il cosiddetto”QuarkX” è un reattore E-Cat di terza generazione sviluppato da Andrea Rossi, un sorprendente reattore al plasma che fornisce abbondante energia gratuita e pulita sotto forma di calore, luce e perfino elettricità diretta. Il reattore di prima generazione era l’E-Cat a bassa temperatura (120 °C), mentre quello di seconda generazione era l’Hot-Cat (600 °C), l’unico che è stato ampiamente replicato da ricercatori indipendenti dimostrando la bontà dell'”effetto Rossi” sottostante. In questo articolo illustrerò, in particolare, cosa sappiamo del QuarkX e come, verosimilmente, funziona davvero.

La “demo” pubblica (vedi qui) del reattore QuarkX di Andrea Rossi, svoltasi il 24 novembre 2017 nella bella sala conferenze della Swedish Royal Engineering Academy dinanzi a una settantina di invitati (tra cui molti fisici e ingegneri, investitori e persone che il Premio Nobel lo assegnano o… l’hanno già ricevuto!), ha fornito molte informazioni interessanti che in questo articolo dedicato al relativamente poco conosciuto QuarkX vorrei evidenzare.

Un gentleman saluta Rossi, ricordando l’incontro di Miami. È lui o non è lui? Ma sì, è proprio il famoso premio Nobel per la Fisica Brian Josephson!

A differenza delle precedenti versioni del reattore di Rossi (E-Cat a bassa temperatura e Hot Cat), il QuarkX è palesemente un reattore al plasma. In fisica, un plasma è un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e di ioni e globalmente neutro (cioè la cui carica elettrica totale è nulla). Si tratta quindi di un “quarto stato” della materia, che si distingue da quelli più noti di solido, liquido ed aeriforme.

Le frequenze utilizzate dal controller

Il plasma del QuarkX è creato e controllato da un apposito controller che – come è possibile vedere dall’oscilloscopio mostrato nel video della demo – sembra fornire in input al reattore una radiofrequenza modulata in ampiezza e, ad intervalli regolari, impulsi molto stretti, alcuni dei quali verosimilmente essenziali per l’ignizione del plasma, cioè per il verificarsi delle reazioni esoenergetiche.

Le frequenze ai capi di una resistenza in serie al reattore QuarkX nella demo del 24/11/17.

Grazie alle immagini disponibili, non è difficile ricavare l’informazione relativa alla radiofrequenza che si vede sull’oscilloscopio. Infatti, Mats Lewan rivela, durante la demo, che l’oscilloscopio era settato sulla scala dei 100 μsec come base dei tempi. E, come ben sa chi utilizza gli oscilloscopi, per vedere 1 ciclo di un segnale da 1 kHz, la base dei tempi dovrebbe essere di circa 1 ms.

Perciò, la radiofrequenza visibile sul monitor dello strumento dovrebbe essere dell’ordine dei 100 kHz. Essa mostra una modulazione in ampiezza con una frequenza molto più bassa. Inoltre, se si guarda il video della demo, si percepisce periodicamente un impulso di ignizione del plasma accompagnato da un suono di scarica elettrica, e molti hanno pensato che si tratti del famoso “impulso Tesla”.

L’inventore Nikola Tesla, infatti, è famoso anche per la “bobina Tesla”, un trasformatore elettrico risonante progettato nel 1891. Viene utilizzato per produrre elettricità a corrente alternata ad alta tensione, a bassa corrente e ad alta frequenza. Una bobina Tesla può produrre tensioni da 50 kV a milioni di volt, con una corrente alternata tipicamente fra 50 kHz e 1 MHz di frequenza.

Sebbene alcune bobine Tesla azionate da un oscillatore generino una corrente alternata continua, la maggior parte delle bobine Tesla hanno un’uscita a impulsi: l’alta tensione consiste in una rapida sequenza di impulsi di corrente alternata a radiofrequenza. Tuttavia, a causa della natura impulsiva della scintilla, producono un rumore radio a banda larga, che senza schermatura produce interferenze.

Un esempio di impulsi Tesla ottenuti con una bobina Tesla a stato solido.

Vale anche la pena di ricordare che, in numerosi esperimenti LENR con celle elettrochimiche, l’applicazione di radiofrequenze ha permesso di incrementare l’energia in eccesso: in particolare, l’imposizione di un campo magnetico pulsante a 80-84 MHz con una bobina di filo avvolta intorno alla cella sembra innescare la produzione di calore anomalo (Sholckmann, Nagel, De Chiaro, ICCF-19, 2015).

Differenze e analogie con l’Hot-Cat                                                                      

A differenza dell’Hot-Cat, nel QuarkX, dato che il reattore stesso si comporta come un conduttore, non è necessario usare una bobina “esterna” per creare un campo magnetico. Perciò – all’apparenza – sarebbe tale semplificazione a far sì che non sia necessario un sistema di feedback che dal reattore va al controller, come quello presente nella versione precedente del reattore, l’Hot-Cat appunto.

Una corrente che fluisce attraverso un conduttore genera un campo magnetico.

Come ammesso nella Conference Call che abbiamo avuto con Andrea Rossi, rimane invece presente il meccanismo del “gatto e del topo” ideato da Rossi per l’Hot-Cat e che nel caso del QuarkX consiste, verosimilmente, nel fornire l’energia in ingresso – lo “stimolo” del topo nei confronti del gatto – per soli 3 secondi e poi nessuna energia per 4 secondi, come peraltro ben visibile nel video del test.

Ricordiamo che, in uno dei test dell’Hot Cat (Marzo 2013, a Ferrara), l’energia in input veniva erogata tramite un’alimentazione monofase con un ciclo ON/OFF (con l’ON della durata di circa 2 minuti e l’OFF della durata di circa 4 minuti), che forniva un vero e proprio auto-sostentamento al reattore, in quanto durane la fase OFF la temperatura continuava a crescere per un certo tempo.

In quella versione dell’E-Cat, le spire delle 3 resistenze scaldanti il reattore (si noti anche la ricorrenza del numero 3), dopo una fase di warm up di 2 ore, venivano alimentate dal controller ad intervalli abbastanza regolari, la cui durata esatta era regolata in modo automatico tramite un segnale di feedback relativo alla temperatura interna al reattore, proveniente da una termocoppia al platino PT100.

Nel Dicembre 2014, in auto-sostentamento, la durata di una fase (in un ciclo completo) durante la quale l’Hot-Cat non necessitava di un input elettrico poteva durare fino a 2 ore, e il tempo di warm up da freddo fino a 4 ore. Inoltre, in 24 ore di operazione l’Hot-Cat poteva operare in auto-sostentamento per 3/4 del tempo, cioè per 18 ore senza ricevere un input elettrico e per 6 ore “guidato” da un input.

In pratica, la demo del 24 novembre conferma l’idea che la massima durata dell’auto-sostentamento dipenda dalla temperatura operativa di un E-Cat: temperature più alte implicano intervalli più brevi per la durata del ciclo di auto-sostentamento. Nell’E-Cat di prima generazione – quello a bassa temperatura (120 °C) – il reattore poteva operare finanche per 18 ore continuative senza input elettrico.

Diminuzione della durata del tempo di energia fornita in input (ON) con l’evoluzione dell’E-Cat. Si noti come pure la durata della fase senza energia in input (OFF) sia diminuita con il controllo migliore del reattore.

 

Gli impulsi di controllo del reattore

Nella parte finale del video della demo di Stoccolma, inoltre, si vede una scintilla anulare periodica di circa 1 cm di diametro, associata temporalmente all’impulso in alta tensione fornito dal controller per l’ignizione del plasma. Anche in questo caso si può stimare il relativo valore in base a quanto si vede sull’oscilloscopio, per cui vi sono solide ragioni per ritenere che l’impulso sia di circa 2 kV come tensione.

Lo spezzone di video dal quale si può vedere bene la scintilla e udire il relativo rumore.

Inoltre, considerato che 2 keV è l’energia che acquista un elettrone quando è sottoposto a una differenza di potenziale di 2 kV, che i raggi X più energetici sono di quasi 100 keV, e che – come Rossi rivelò nel Settembre 2012 – un E-Cat produce raggi gamma (o meglio, X) nell’intervallo 50 keV-100 keV , ne consegue che la tensione di innesco sarebbe ben inferiore rispetto all’energia dei prodotti.

Come suggerito da un ingegnere, osservando il video completo della demo alla velocità 0,25, si nota che ci sono 2 potenti impulsi di controllo: un primo impulso di circa +2 kV che innesca il plasma e poi, qualche istante dopo, un secondo impulso di -2 kV che arresta lo stato di plasma. L’arresto si avrebbe usando una polarità inversa per allontanare i protoni (ioni H) dall’elettrodo di nichel.

I due impulsi forniti dal controller per accendere e spegnere il plasma nel QuarkX.

In pratica, quando parte il primo impulso, grazie ai protoni che arrivano con una certa energia cinetica sulla superficie del nichel, si accenderebbe la luce intensa che caratterizza il plasma ed il QuarkX. La reazione LENR esoenergetica parte e cresce finché, con il secondo impulso, non si allontanano i protoni dall’elettrodo di nichel normalmente negativo, “affamandolo” di protoni.

Dunque, dato che anche l’altro elettrodo del reattore sarebbe fatto di nichel, si innescherebbe il plasma applicando per un breve periodo – ad esempio 10 microsecondi – una tensione di 2 kV a un elettrodo di nichel e in seguito una di -2 kV al medesimo elettrodo del reattore, e così via, con una procedura iterativa. Il plasma si forma fra gli elettrodi dissociando localmente l’idrogeno molecolare (H₂) in idrogeno atomico (H).

A questo punto non è difficile immaginare quale sia la struttura del reattore “nudo”, cioè privato del sistema di raffreddamento che lo nasconde alla vista. Abbiamo due elettrodi circolari di 0,08 mm di diametro, separati da una distanza di 0,6 mm. La zona fra gli elettrodi e gli elettrodi sono avvolti da un tubo trasparente per alte temperature riempito di litio alluminio idruro (LiAlH₄), o almeno di H₂.

Schema del reattore QuarkX e del suo funzionamento in base alle informazioni disponibili.

Vale la pena di ricordare che anche in alcuni esperimenti di Focardi-Piantelli su reazioni Ni-H in atmosfera di idrogeno furono ottenuti eccessi di calore usando pezzi di nichel o di leghe come l’acciaio riscaldati a ≈450 °C. Perciò, il QuarxX sembrerebbe, in fondo, una versione assai migliorata – pur nella sua semplicità costruttiva – del reattore descrittomi dal prof. Sergio Focardi nell’intervista del 2011.

Altri aspetti salienti del reattore

L’elevata tensione impulsiva è in grado di riscaldare la “polvere” di LiAlH₄ che costituisce il cuore del reattore e che raggiunge rapidamente lo stato di plasma. Non vi è più, quindi, la necessità della resistenza riscaldante usata nelle due precedenti versioni dell’E-Cat, con tutti i rischi di rottura della stessa per il calore eccessivo ed i tempi di latenza dovuti alla propagazione del calore in un grande volume.

In un reattore piccolo, l’efficienza è dunque maggiore, anche perché diminuisce il rapporto fra superficie esterna e volume interno: la prima, infatti, scala con il quadrato del raggio del reattore, mentre il secondo scala con la terza potenza del raggio. Questo spiega perché il reattore usato da Rossi nella demo (lunghezza = 0,6 mm, diametro 0,08 mm) è ancora più piccolo dei precedenti QuarkX.

In realtà, nello scambiatore di calore erano presenti tre reattori QuarkX, collegati in parallelo. Non è escluso, fra l’altro, che nella demo abbiano funzionato solo uno dei tre reattori. Ciò spiegherebbe perché la potenza prodotta misurata con la calorimetria a flusso d’acqua, pari a 22 W, sia stata molto minore della potenza di 71 W attesa da Rossi con la spettrometria: 22,8 W x 3 = 68,4 W, e tutto “torna”.

L’elettricità prodotta dal reattore in maniera diretta, pur non essendo stata evidenziata da Rossi, tuttavia è stata “visibile” indirettamente, innanzitutto in quanto responsabile di una piccola parte del surriscaldamento del controller, che, secondo le slide mostrate da Lewan prima dell’inizio della demo, necessita di un raffreddamento attivo che assorbe circa 60 W di potenza.

Schema ufficiale dell’apparato con il controller raffreddato usato nella demo del 24/11/17.

Ma soprattutto, come notato da un ingegnere, la radiofrequenza modulata in ampiezza che si vede sull’oscilloscopio fra il grande impulso di ignizione iniziale ed il grande impulso finale che arresta la reazione non sarebbe fornita dal controller, ma prodotta dai tre reattori in funzione leggermente sfasati fra loro, cioè dai protoni che finiscono sui 3 elettrodi “-” e dagli elettroni che finiscono sui 3 elettrodi “+”.

Dalle immagini dell’oscilloscopio è infatti chiaro che ci sono molti impulsi (visibili sotto forma di picchi stretti e alti isolati) – oltre ai due grandi picchi iniziale e finale – e poi la radiofrequenza da circa 100 kHz che sarebbe prodotta dalla reazione e che piloterebbe il controller, il quale invierebbe un nuovo impulso quando la reazione tende a svanire, oppure semplicemente a intervalli regolari.

Tale radiofrequenza a 100 kHz è visibile sull’oscilloscopio come un segnale costante di 100 mV DC con sovrapposto un segnale alternato (AC) di +/- 100 mV. Questo segnale di uscita che sarebbe prodotto dal reattore è in linea con le precedenti affermazioni di Rossi secondo cui il QuarxX produce una tensione sia DC che AC. Dunque, esso sarebbe la prova dell’elettricità diretta prodotta.

Il COP reale del reattore ricalcolato

Nonostante l’elevata potenza fornita per il raffreddamento del controller e il possibile funzionamento di un solo reattore su tre, la demo è stata – come ora vedremo – un vero successo. Infatti, come Rossi ha spiegato nella Conference Call organizzata da Vessela Nikolova, e poi confermato in un commento sul Jonp, il controller usato nella demo può alimentare almeno 100 sistemi, o moduli.

Il 30 novembre Rossi ha chiarito, più esplicitamente, la faccenda: il fatto che alimenti 100 moduli non significa che la potenza da dissipare sia di 60/3 x 100 = 2000 W, in quanto “mentre aumentando il numero di moduli il calore in eccesso prodotto dal QuarkX aumenta ovviamente in modo proporzionale, il calore da dissipare dalla scatola del controller decresce in modo sostanziale”.

Considerando, conservativamente, un modulo composto da un solo QuarkX anziché 3, ciò vuol dire che la potenza media necessaria per raffreddare il controller è dell’ordine di 60 W / 100 = 0,6 W per reattore. Ciò permette di stimare un COP realistico che è diverso da quello pubblicato finora (pari a 506), che teneva conto solo dell’energia in ingresso al reattore, scontentando quindi gli “scettici”.

Ricordo che la potenza in uscita dal QuarkX della demo di Stoccolma, misurata con la calorimetria a flusso d’acqua è stata di 22,8 W, mentre quella in ingresso fornita dal controller è stata di 0,045 W (vi risparmio i calcoli intermedi). Pertanto, tenendo conto anche dei 0,6 W che è la quota per il raffreddamento del reattore, il COP reale del sistema risulta essere pari a 22,8 / (0,6 + 0,045) = 35,3!

Si noti come questo COP sia circa 10 volte più grande di quello dell’Hot-Cat misurato nei precedenti test pubblici. Al tempo stesso, si può intuire come il COP si possa ulteriormente migliorare di un fattore 10 lavorando sul problema del surriscaldamento del controller, dato che l’energia necessaria per alimentarlo è oggi circa 10 volte maggiore di quella necessaria per “pilotare” il reattore.

L’evoluzione del COP dell’E-Cat con lo sviluppo ingegneristico del reattore.

Come dichiarato da Rossi sul Jonp il 27 dicembre 2013, “il COP aumenta esponenzialmente con la temperatura operativa”, per cui non stupisce che nel QuarkX, operante a temperature ben più alte dell’Hot-Cat, tale parametro risulti ben più alto, a dimostrazione dei notevoli passi avanti compiuti, nel complesso, nell’ottimizzazione del reattore, ormai davvero vicino all’industrializzazione.

Si noti che l’E-Cat a bassa temperatura aveva potenzialmente dei COP elevati, ma in quel caso li si pagavano con degli “indesiderata”: emissione di neutroni per COP intorno a 200, instabilità della reazione, temperature molto più basse (≈120 °C), etc. La migliore conoscenza del fenomeno e l’ottimizzazione ingegneristica hanno permesso quindi di fare, negli ultimi 5 anni, un progresso eccezionale.

Calcolo della densità di potenza

Avendo la camera di reazione del QuarkX 0,6 mm di lunghezza e 0,04 mm di raggio, il volume occupato dal materiale di reazione è di 3,14 x 0,04 x 0,04 x 0,6 = 0,0030 millimetri cubi (mmc). Ipotizzando che tutti e tre i reattori fossero in funzione , avremmo una potenza netta prodotta da ciascun reattore pari a (22,8-0,6) : 3 = 7,4 W. Dunque, la densità di potenza sarebbe di 7,4 : 0,0030 = 2466 W/mmc!

In altre parole, se facciamo il confronto con l’Hot-Cat del test di Lugano, che produceva una potenza netta di circa 2300 W, ed aveva una lunghezza di 20 cm e un diametro interno di 0,4 cm (e dunque un volume di (3,14 x 0,2 x 0,2 x 20) = 2,51 cmc = 2510 mmc, in quel caso la densità di potenza era di circa 2300 W / 2510 mmc = 0,92 W/mmc, ovvero ben 2680 volte più piccola rispetto al QuarkX.

Inoltre, una densità di potenza di 2466 W/mmc significa che, siccome 1 metro cubo = 1.000.000.000 di mmc, idealmente, con “un metro cubo di reattori” si potrebbe produrre una potenza di 2,5 x 10¹² W = 2,5 GW! Dato però che non conosciamo il fattore di impacchettamento massimo del sistema, dobbiamo prendere per buona l’idea di Rossi di una produzione di 1 MW per metro cubo.

Se ogni Quark X produce 22,2 W di potenza netta, ciò vorrebbe dire avere 1.000.000 : 22,2 = 45.045 reattori in un metro cubo, che è un risultato ragguardevole. Dunque, un eventuale malfunzionamento in alcuni di essi non comprometterebbe più di tanto la produzione energetica. Inoltre, ciò rende il reattore simile a una cartuccia di una stampante, che viene sostituita quando è in via di esaurimento.

Con 1 cm cubo di uranio come quello usato nelle centrali nucleari si possono generare 6.840 kWh. Supponendo che una carica del QuarkX duri almeno 6 mesi, come accertato da Rossi, e dato che 1 cmc di materiale del QuarkX dà una potenza di 2466 x 1.000 = 2,47 MW, in 6 mesi esso produrrebbe 4320 ore x 2470 kW = 10.670.400 kWh, pari a una densità di energia 1560 volte quella dell’uranio!

Si noti poi che, se funzionava solo un reattore su tre, il valore di “1560” appena trovato va moltiplicato per 3, cioè sarebbe 4680 (e non 1560) volte maggiore. Se si considera che i migliori Hot-Cat testati in pubblico avevano una densità di potenza del combustibile pari a circa 800 volte quella dell’uranio e del plutonio, il Quark X si conferma superiore anche sotto questo aspetto rispetto all’Hot-Cat.

La densità di potenza e la densità di energia dell’Hot-Cat (o E-Cat HT).

 

L’Autore

Mario Menichella è un fisico che ha lavorato all’Ufficio Comunicazione dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ed è autore del libro “I segreti dell’E-cat” (2011), oltre che di una lunga intervista video a Sergio Focardi, uno dei pionieri della ricerca sulla fusione fredda in Italia. È stato co-licenziatario per l’Italia della tecnologia E-Cat quale co-fondatore della Prometeon Srl, e successivamente ha ideato il Progetto NickeLab.