La fisica dell’E-Cat: viaggio nei segreti del reattore

Il reattore E-Cat SK di Andrea Rossi, che dal 31/1/19 produce a costo quasi zero energia termica gratuita la quale viene venduta a clienti industriali, è un’invenzione almeno altrettanto importante – dal punto di vista scientifico – della pila atomica di Enrico Fermi. Ma la differenza fra un reattore nucleare a fissione e quello di Rossi è che la tecnologia E-Cat non produce radioattività, neutroni o radiazioni pericolose, oltre a non avere alcuna utilità nella produzione di armi. Pertanto, capire la “nuova” fisica che si cela dietro un reattore E-Cat non solo è utile per tentare di replicarlo, ma può anche portare a un premio Nobel.

L’argomento cui accenniamo in questo articolo è, naturalmente, interessante dal punto di vista scientifico, ma non è stato cruciale nello sviluppo del reattore E-Cat da parte di Rossi. Infatti, sia lui sia i suoi collaboratori hanno, soprattutto all’inizio, preso strade poi rivelatesi errate per quanto riguarda la fisica dietro il funzionamento del reattore. Si sono per lo più limitati a sviluppare e ottimizzare il reattore nel corso degli anni con un approccio ingegneristico e imparando dall’esperienza pratica, non dalla teoria.

Tuttavia, è evidente che avere un’idea del come l’E-Cat produca l’energia gratuita che fornisce in uscita è interessante sia dal punto di vista strettamente scientifico e intellettuale sia dal punto di vista di eventuali replicatori, poiché aiuta a comprendere l’essenza del problema da affrontare e risolvere, stante anche la non abbondanza di informazioni tecniche sull’E-Cat di ultima generazione per l’assenza di un brevetto (in particolare per quanto riguarda il pannello di controllo del reattore).

Questo articolo rappresenta in realtà la seconda parte di un articolo in tre parti dedicato all’E-Cat in generale (un reattore che conosco bene come fisico oltre che ex licenziatario per l’Italia), ma soprattutto alla sua ultima generazione delle tre sviluppate da Rossi fra il 2006 e il 2018, l’E-Cat SK (stretto “parente” dell’E-Cat QuarkX presentato pubblicamente un anno prima). Questi ultimi sono dei veri e propri reattori al plasma, e l’E-Cat SK è stato illustrato dettagliatamente nella prima parte di questo articolo, intitolata E-Cat SK: nel cuore del “reattore delle meraviglie”, e che trovate qui.

La creazione di strutture compatte protone-elettrone

Un articolo di alta divulgazione molto interessante sulla fisica dietro il funzionamento dell’E-Cat, intitolato E-Cat SK and long range particle interactions, è stato diffuso su ResearchGate il 25/1/19 e porta la firma di Rossi, ma in realtà – come del resto si può facilmente intuire – è stato scritto da persone senza dubbio con qualche conoscenza di fisica teorica. Esso rappresenta un’eccellente introduzione al tema, ed anche alla letteratura scientifica recente sui vari aspetti trattati solo sinteticamente in tale lavoro.

La prima pagina dell’articolo sulla fisica dietro il funzionamento dell’E-Cat e la pubblicità della vendita dell’energia termica da parte della Leonardo Corporation di Andrea Rossi.

L’articolo in questione sottolinea come il reame della fisica coinvolta nel reattore sia quello della “materia condensata su scale picometriche” (10-12 m: un picometro è pari a un milionesimo di millimetro), che si trova grossolanamente a metà strada fra le dimensioni atomiche (10-10 m) e quelle nucleari (10-15 m), un dominio nel quale emergono fenomeni interessanti – verosimilmente anche collettivi – che possono venire sfruttati per produrre grandi quantità di energia gratuita (la cosiddetta “free energy”).

La “chiave” è infatti la formazione di aggregati protone-elettrone a scale picometriche, cioè di speciali forme di idrogeno, più compatte di quelle note dalla fisica classica. L’energia liberata nella formazione di tali strutture è oltre 1.000 volte superiore all’energia di combustione dell’idrogeno. Non sappiamo se sia uguale a quella prodotta dall’E-Cat, ma simili strutture compatte, avendo una carica elettrica complessiva quasi neutra, potrebbero agevolmente superare la barriera repulsiva coulombiana degli atomi e dar luogo a reazioni nucleari a energie molto basse, e dunque a una produzione energetica decisamente elevata.

Schema dei possibili effetti fisici dietro il funzionamento dell’E-Cat. In pratica, si vede come il problema del superamento della barriera coulombiana fra atomi sia ricondotto a quello del superamento della repulsione coulombiana fra elettroni.

L’esistenza di strutture protone-elettrone ed elettrone-deuterone a scala picometrica è già stata studiata e verificata sperimentalmente, quest’ultima dal fisico Leif Holmlid – professore emerito all’Università di Goteborg (Svezia) e scopritore del cosiddetto “idrogeno ultradenso” – il quale riconosce l’elettrone descritto dal modello Zitterbewegung come fondamento logico di tali aggregati (un modello fortemente perfezionato da alcuni fisici italiani in due articoli che cito fra una decina di righe).

In particolare, una serie di esperimenti condotti negli ultimi anni da Holmlid ha provato l’esistenza di una forma molto compatta di deuterio (un isotopo dell’H). Partendo dal valore di energia cinetica (circa 630 eV) dei nuclei emessi in alcuni esperimenti in cui questa particolare forma di deuterio ultra-denso è irradiata da un piccolo laser, egli ha calcolato una distanza fra i nuclei di deuterio di circa 2,3 x 10-12 m, molto più piccola di quella normale fra i due nuclei di una molecola di deuterio, che di circa 74 x 10-12 m.

Per non parlare del cosiddetto “idrino di Mills”, cioè di atomi di idrogeno aventi livelli di energia più bassa dello stato “fondamentale” convenzionale, corrispondenti a un numero quantico principale n frazionario. La teoria di Mills è illustrata da Randell Mills – un chimico geniale con un curriculum di altissimo livello – nella sua “Grande Teoria Unificata della Fisica Classica”; e gli idrini, della cui esistenza vi sono già degli indizi sperimentali, sono sfruttati nel suo reattore al plasma per produrre energia.

La teoria di Mills prevede che gli idrini si formino facendo reagire l’idrogeno ordinario con un opportuno catalizzatore.  In particolare, essa prevede una reazione che coinvolge un trasferimento di energia risonante e non radiativo da un idrogeno atomico altrimenti stabile a un catalizzatore che assorbe tale energia (energy hole), permettendo la formazione degli idrini. La teoria di Mills predice quindi, in modo coerente e dettagliato, l’esistenza di una forma di materia in precedenza sconosciuta.

Dunque, in conclusione gli elettroni avrebbero il ruolo di vettori di nuclei di idrogeno (prozio o deuterio, a seconda dei casi), da essi resi quasi-neutri come carica elettrica, all’interno del nucleo da trasmutare, liberando le grandi quantità di energia tipiche delle reazioni a livello nucleare. Tale meccanismo può spiegare il superamento della barriera coulombiana degli atomi (ad es. di litio) nell’E-Cat – grazie all’effetto di neutralizzazione / mascheramento della carica positiva dei nuclei di idrogeno – ma anche l’azione a distanza osservata in un esperimento di trasmutazione compiuto da Yasuhiro Iwamura.

Schema dell’esperimento di Iwamura (2004), un noto ricercatore della Mitsubishi. 

Infatti, come spiegato nell’articolo L’elettrone elettromagnetico e il “Nuovo Fuoco”, nel citato esperimento di Iwamura “è stata osservata la trasmutazione nucleare a bassa energia di elementi chimici depositati su un sistema formato da strati sottili alternati di Palladio (Pd) e di ossido di calcio (CaO). La trasmutazione avviene quando il sistema viene attraversato da un flusso di deuterio. Lo strato di CaO, indispensabile per la trasmutazione, dista però centinaia di strati atomici dalla zona vicino la superficie dove vengono depositati o impiantati gli atomi da trasmutare”.

Una interessante ipotesi avanzata da Vassallo consiste nel “considerare fondamentale la formazione di deuterio ultra-denso (UDD) in corrispondenza dell’interfaccia fra ossido di calcio e palladio, una zona in cui l’elevata differenza di funzione di lavoro tra Pd e CaO favorisce la formazione di uno strato con alta densità di elettroni (SEL, swimming electron layer). Il deuterio ultra-denso potrebbe successivamente migrare nella zona dove sono presenti gli atomi da trasmutare”. Ciò spiegherebbe anche il ruolo del CaO.

I meccanismi per la creazione di aggregati picometrici

I precursori degli aggregati protone-elettrone a scale picometriche – che potrebbero anche essere coinvolti in speciali interazioni elettrone-nucleone – sarebbero, secondo l’articolo di Rossi, i cosiddetti “aggregati densi di elettroni” (aggregati di carica ad alta densità sono stati osservati sperimentalmente da Kenneth Shoulders e da altri ricercatori), i quali si possono creare, come vedremo, anche grazie al probabile ruolo dell’effetto Aharonov-Bohm, dell’effetto Casimir e della polarizzazione del vuoto.

In effetti, a una distanza intermedia tra la scala atomica e quella nucleare – dello stesso ordine di grandezza della “lunghezza d’onda Compton dell’elettrone” (pari a 2,4 x 10-12 m, e definita come la lunghezza d’onda di un fotone la cui energia è la stessa della massa a riposo dell’elettrone) – gli effetti sugli elettroni della forza magnetica (o di Lorentz), della forza di Casimir e del vuoto quantistico con le sue particelle virtuali non possono venire trascurati, se confrontati con la forza repulsiva di Coulomb (v. figura).

Andamento delle forze di Casimir, di Coulomb e magnetica fra due elettroni in funzione della loro distanza. La forza magnetica è calcolata considerando gli elettroni come due anelli di corrente paralleli allineati.

Nell’articolo di Rossi vengono dunque proposti tre diversi possibili meccanismi – non mutuamente esclusivi – che favoriscono la creazione di “aggregati densi di elettroni”. Il primo è basato sul possibile ruolo della forza di Casimir: due diversi approcci, uno dei quali basato su modelli Zitterbewegung di elettroni, indicano che la repulsione di Coulomb tra elettroni può essere bilanciata su scala picometrica dalla “pressione del vuoto” ipotizzata nel 1948 da G. Casimir e misurata da S.K. Lamoreaux nel 1996.

In particolare, come si vede dalla figura, la repulsione di Coulomb tra gli elettroni a una distanza di 4 lunghezze d’onda Compton ridotte (ovvero a 4 x 0,38 x 10-12 m = 1,5 pm) può essere bilanciata dalla forza di Casimir in specifiche configurazioni geometriche. Ciò ipotizzando un modello Zitterbewegung dettagliato e realistico dell’elettrone messo a punto dal fisico G. Vassallo (accennato in quest’articolo e sviluppato in quest’altro), che considera l’elettrone un anello di corrente di raggio re, generato da una distribuzione di carica che ruota alla velocità della luce.

Il modello Zitterbewegung di G. Vassallo dell’elettrone è dettagliato e realistico.

Il secondo meccanismo che favorisce gli aggregati di elettroni è basato sulle forze di Lorentz nei sistemi coerenti, dove le fasi di Zitterbewegung degli elettroni sono sincronizzate e le cariche di elettroni sono nello stesso cono di luce. In questo caso la forza può essere calcolata come la forza di Lorentz che agisce su una carica elementare che si muove alla velocità della luce e tale forza può bilanciare la repulsione colombiana, diversamente da una situazione più generale (come quella mostrata due figure più sopra).

Infatti, “la forza magnetica tra due elettroni, se ingenuamente modellata come due anelli di corrente paralleli e allineati, non può compensare la repulsione di Coulomb. Tuttavia, la corrente Zitterbewegung è generata da una carica elementare e quella ruota alla velocità della luce c lungo una circonferenza pari alla lunghezza d’onda di Compton dell’elettrone e, di conseguenza, una coerenza della fase di rotazione tra le cariche nello stesso cono di luce può migliorare notevolmente l’attrazione magnetica”.

Come proposto da Di Tommaso e Vassallo (2019) nell’articolo “Electron structure, Ultra-Dense Hydrogen and Low Energy Nuclear Reactions” (in pubblicazione sul Journal of Condensed Matter Nuclear Science), “la connessione fra le equazioni di Aharonov-Bohm e un modello Zitterbewegung di elettrone suggerisce la possibilità di creare aggregati di elettroni sfruttando l’effetto Aharonov-Bohm, un fenomeno che mostra la dipendenza della fase della funzione d’onda elettronica dai potenziali elettromagnetici”.

L’originale articolo scientifico di Di Tommaso e Vassallo (2019).

Nell’articolo di Di Tommaso e Vassallo, viene ipotizzato che “un impulso di tensione con un tempo di salita molto breve e critico possa favorire la creazione di coerenza ed aggregati densi di elettroni: la congettura si basa sulla possibilità che, come conseguenza dell’effetto Aharonov-Bohm, una variazione rapida, collettiva e simultanea della fase Zitterbewegung catalizzi la creazione di sistemi coerenti”. Pertanto, gli eventuali replicatori dell’E-Cat dovrebbero tenere nel debito conto tale aspetto.

Secondo Di Tommaso e Vassallo, queste particolari configurazioni di elettroni possono formare, in presenza di protoni (o deuteroni), aggregati compatti neutri a scala picometrica, formati da una catena coerente di elettroni bosonici con protoni (o deuteroni) situati al centro delle loro orbite di Zitterbewegung. Dunque, il già citato idrogeno ultra-denso (UDD) di Holmlid osservato sperimentalmente – che in pratica è deuterio ultra-denso –  può essere concepito come una catena di questo tipo.

Esempio di possibili catene di elettroni bosonici con protoni situati al centro delle loro orbite di Zitterbewegung, strutture in grado di superare la barriera coulombiana di un atomo. Queste catene costituiscono un modello dell’idrogeno ultra-denso.

Pertanto i due autori osservano che, nel già citato esperimento di Iwamura, tali aggregati di deuterio ultra-denso elettricamente neutro sarebbero responsabili, ad esempio, della trasmutazione del Cesio (Cs) in Praseodimio (Pr), secondo la reazione 55Cs + 4D(0) -> 59Pr + 4e, dove D(0) è il deuterio ultra-denso secondo la notazione di Holmlid. In tale equazione, 4D(0) rappresenterebbe quindi le catene coerenti di deuterio ultra-denso, e la breve distanza fra i deuteroni in queste catene in tali ipotetiche strutture giustificherebbe il verificarsi di trasmutazioni nucleari a molti corpi altrimenti difficili da spiegare.

Altra info utile per i replicatori dell’E-Cat: Di Tommaso e Vassallo sottolineano che “il raggiungimento di una soglia critica di densità elettronica, dipendente dal catodo, è un presupposto importante per la creazione di tali strutture compatte”, che potrebbero essere coinvolte in reazioni nucleari a bassa energia aneutroniche ed a molti corpi. Inoltre, nell’articolo di Rossi si osserva che “in questo ambiente ricco di elettroni, la creazione-annichilazione di particelle virtuali può svolgere un ruolo particolare”.

In effetti, il terzo meccanismo che favorisce gli aggregati di elettroni è basato sul possibile effetto di schermatura elettrostatica esercitato da coppie di particelle virtuali create dalle fluttuazioni del vuoto quantistico. Infatti, nell’articolo di Rossi viene ricordata l’ipotesi avanzata da Lawrence Nelson (US patent 6465965, “Method and system for energy conversion using a screened-free-electron source“), per spiegare la formazione spontanea di una nuvola di elettroni attorno a un catodo riscaldato nel vuoto, che “le particelle virtuali generino una forza di schermatura della carica nei tubi a vuoto”.

Nel vuoto quantistico, coppie di particelle virtuali di materia e antimateria vengono continuamente create e distrutte, prendendo “a prestito” la loro energia dal principio di indeterminazione di Heisenberg. Esse non esistono come quantità osservabili, ma la loro esistenza è manifestata su altre particelle come una leggerissima pressione (chiamata “effetto Casimir”).

Nelson propone come spiegazione per questa schermatura elettrostatica “una possibile polarizzazione del vuoto, generata dalla creazione-annichilazione delle coppie di cariche virtuali come conseguenza delle fluttuazioni del vuoto quantistico previste dal principio di indeterminazione di Heisenberg. Queste coppie agirebbero come la carica nel dielettrico solido di un condensatore che, schermando il campo elettrico, riduce la tensione necessaria per accumulare una carica sulle piastre del condensatore”.

Il problema dei “3 miracoli” e la sua soluzione

Come ben noto, molti fisici si sono (inopportunamente) sbilanciati in passato sull’impossibilità della fusione fredda – nonostante le innumerevoli evidenze sperimentali accumulate nel corso degli anni anche prima dell’avvento di Rossi con il suo E-Cat – perché non sapevano spiegarsi i cosiddetti “tre miracoli” che dovevano essere in qualche modo “superati” a livello teorico affinché la fusione fredda fosse considerata qualcosa di reale: (1)  la mancanza di forti emissioni di neutroni; (2) il mistero di come viene penetrata la barriera di Coulomb; (3) la mancanza di forti emissioni di raggi gamma penetranti.

A seguito di questa incapacità – e soprattutto mancanza di volontà – da parte della scienza mainstream di affrontare la questione con i suoi migliori cervelli come si sarebbe fatto in qualsiasi altro campo scientifico, la verità è stata letteralmente distorta: in realtà, i tre miracoli non sono insormontabili come si potrebbe credere con un’analisi molto superficiale, e il “fiasco scientifico” con cui la fusione fredda fu etichettata non ha mai avuto luogo (v. ad es. il “Rapporto 41″ dell’ENEA, risalente al 2002), ma riflette semplicemente una percezione che si è verificata a causa di preconcetti e pregiudizi derivanti dalla mancanza di informazioni disponibili o artatamente manipolate.

Gli esperimenti svolti all’ENEA dal gruppo della De Ninno, sotto l’egida del Nobel Carlo Rubbia e dei fisici teorici Preparata e Del Giudice, culminarono nel famoso “Rapporto 41″, che confermava la realtà scientifica della fusione fredda nella linea di ricerca Palladio-Deuterio. 

Come è noto, diversamente dalle moderne linea di ricerca sulle reazioni nucleari a bassa energia (LENR, o Low Energy Nuclear Reactions), che si basano ad esempio su reazioni coinvolgenti Ni-H, Li-H, Ni-Li-H o elementi similari, le prime linee di ricerca – quale la famosa Palladio-Deuterio o tutte quelle che producevano trizio – erano ostacolate dai servizi segreti americani per via delle loro applicazioni militari, come ben spiegato dal prof. Emilio Del Giudice nel libro Il segreto delle tre pallottole. Perciò vi fu un depistaggio sistematico sul tema, nonostante la serietà delle ricerche e dei loro autori.

Ma lasciamo perdere le chiacchiere sul passato e vediamo come si può spiegare la produzione di energia nell’E-Cat. Ricordiamo che l’E-Cat di prima generazione (120 °C) usava come “combustibile” idrogeno fornito da una bombola e polvere di nichel e di un catalizzatore (che poi si è saputo essere litio). Invece l’Hot-Cat, il reattore di seconda generazione (600 °C) replicato da A. Parkhomov e da vari altri fisici nel mondo, usa come “combustibile” nichel in polvere e litio alluminio idruro (LiAlH4) in polvere, che una volta riscaldato a una certa temperatura fornisce idrogeno e, ad alte temperature, vapori di litio.

Il nichel in polvere, usato solo nei reattori E-Cat delle prime due generazioni (quindi fino al 2015), era trattato per aumentarne la porosità. Ciò era fatto riscaldando la polvere di nichel per tempi ed a temperature selezionate per sovra-riscaldare l’acqua presente nelle microcavità che sono ospitate in ciascuna particella della polvere di nichel. La risultante pressione di vapore causa delle micro-esplosioni che creano cavità più grandi, come pure delle particelle aggiuntive di nichel più piccole.

I reattori di ultima generazione (QuarkX e E-Cat SK), invece, usano il nichel solo negli elettrodi, ed al loro interno hanno soltanto litio alluminio idruro (LiAlH4), che si vaporizza grazie all’alta temperatura generata nel reattore nella fase di attivazione del plasma. In questo modo si crea un plasma di ioni e di elettroni in uno spazio sostanzialmente vuoto (se non per il gas a bassa pressione di vapori e di eventuali residui di aria o di argon), mentre nelle due generazioni precedenti lo spazio era permeato di grani nanometrici di nichel, il cui reticolo offriva “isole” ad alta temperatura e permetteva di rendere l’idrogeno monoatomico.

I “cluster” presenti nei grani della polvere di nichel, aggregati nella gamma di dimensioni di pochi nanometri, sono i sistemi ideali per il realizzarsi della localizzazione dell’energia scoperta da Fermi-Pasta-Ulam.

Dunque, il nichel era più che altro funzionale al realizzarsi di reazioni fra i due veri reagenti, che sono il litio ed i protoni (ovvero ioni idrogeno, cioè ioni del suo isotopo più comune, il prozio) o deuteroni (ioni di deuterio, un isotopo raro dell’idrogeno), dopo che questi protoni (o deuteroni) hanno dato vita a qualche aggregato compatto con l’elettrone – come quelli illustrati in precedenza, ad es. l’idrogeno o deuterio ultra-denso, l’idrino, etc. Ciò sarebbe coerente, fra l’altro, con i risultati ottenuti dalla Unified Gravity LLC (USA), che ha sviluppato e brevettato un reattore al plasma protoni-litio (p-Li) con un COP elevato.

Secondo Di Tommaso e Vassallo (2019), ad esempio una possibile reazione nucleare a bassa energia possibile con l’idrogeno ultra-denso è quella che coinvolge l’isotopo Li-7 (che costituisce oltre il 97% della abbondanza naturale del litio), secondo la reazione 37Li + H(0) -> 2 24He + e. Tale reazione, affermano i due autori, “produrrebbe un’energia di circa 17,3 MeV, emessa principalmente sotto forma di energia cinetica dei nuclei di elio, senza emissioni di neutroni o di raggi gamma penetranti”.

Infatti, come essi sottolineano, “vi sarebbero solo emissioni nella regione dei raggi X sotto forma di ‘radiazione di frenamento’ (Bremsstrahlung), generata dalla decelerazione causata dagli impatti dei nuclei di elio con altri nuclei atomici”. Ed in effetti questo è proprio ciò che si osserva nell’E-Cat, poiché Rossi ha dichiarato nell’ottobre 2012 che l’E-Cat emette raggi gamma nell’intervallo di energia 50 keV-100 keV, cioè inferiori a 0,025 nm, che sono praticamente raggi X (i raggi X cominciano sotto i 200 nm).

“I tre ‘miracoli’ richiesti dalle reazioni nucleari a bassa energia potrebbero quindi trovare, nella reazione con il litio appena illustrata, una possibile spiegazione”, concludono i due autori. Infatti: “(1) Superamento della barriera di Coulomb: le particelle di idrogeno ultra-denso sono elettricamente neutre; (2) Non vengono emessi neutroni: i prodotti di reazione sono costituiti esclusivamente da nuclei di elio e un elettrone; (3) Assenza di radiazioni gamma penetranti: l’energia prodotta si manifesta principalmente come energia cinetica dei prodotti di reazione e come emissione di raggi X da bremsstrahlung”.

Una semplice soluzione del problema dei “3 miracoli” della fusione fredda nel caso dell’E-Cat.

Comunque, spiegano ancora Di Tommaso e Vassallo, “la possibilità di radiazioni gamma generate da prodotti intermedi eccitati e dall’interazione secondaria con particelle alfa ad alta energia non può essere completamente esclusa. L’energia meccanica delle particelle alfa prodotte dalle reazioni potrebbe essere convertita con un’efficienza ragionevole direttamente in energia elettrica o in energia meccanica utilizzabile, evitando la necessità di una conversione intermedia in energia termica”.

Come creare aggregati di carica per reazioni LENR

Per illustrare che non si tratta solo di inutili elucubrazioni teoriche, vedremo ora come si possono creare, in pratica e piuttosto facilmente, degli aggregati di carica (charge clusters). D’altronde, diversi sviluppi recenti di dispositivi che producono reazioni nucleari a bassa energia (LENR) sono spiegati dalla produzione deliberata o casuale di aggregati di carica ad alta densità, per cui l’argomento è di estremo interesse, e può risultare utile in eventuali tentativi di replicazione dell’E-Cat di ultima generazione.

Alcune, e forse la maggior parte, delle reazioni nucleari a bassa energia in una varietà di fluidi e dispositivi – tra cui la scoperta di fusione fredda di Fleischmann-Pons (palladio / sistemi ad acqua pesante), reattori con nichel / acqua leggera, Celle di Patterson, dispositivi a bassa pressione con gas deuterio, dispositivi a scintilla in idrogeno, esplosione di palle di fuoco, processo Neal-Gleeson, etc. – si spiegano con la creazione, il lancio e l’impatto di aggregati di carica ad alta densità su un elemento o elementi bersaglio. La creazione di tali aggregati, tuttavia, può essere fortuita oppure deliberata.

Gli aggregati di carica ad alta densità, come insegnatoci dal fisico Kenneth Shoulders (vedi l’articolo Cosa sono gli aggregati di carica di K. Shoulders), possono essere formati in un quasi-vuoto da un breve impulso di potenziale negativo applicato a un catodo appositamente progettato. Un tipico aggregato di carica impatterà su una lastra bersaglio (una lamina di metallo sottile posta vicino all’anodo) e lascerà buchi o “vesciche” di varie dimensioni nella lamina di metallo. Gli aggregati singoli, come quelli prodotti in laboratorio, possono variare in dimensioni da meno di un micron a diversi micron. Le energie più elevate possono creare una collana di aggregati.

Uno dei due possibili schemi di reattore per ottenere un aggregato di carica secondo Shoulders. Abbiamo scelto questo perché più simile all’Ecat di ultima generazione. Per altre info leggi l’articolo “Come fare un generatore di aggregati di carica“.

Gli aggregati di carica possono venire formati da molti tipi di scariche elettriche e risultano evidenti quando una scintilla colpisce una superficie metallica. L’erosione prodotta dalla scintilla può essere principalmente l’effetto dell’azione dell’aggregato di carica. Poiché l’aggregato può essere composto da 108 a 1013 elettroni ed è relativamente piccolo, la densità di energia è elevata. A condizione che l’energia dell’aggregato superi un certo livello, l’aggregato può causare reazioni nucleari, come riportato da Shoulders.

Infatti, gli aggregati di carica possono ionizzare i mezzi locali in cui si forma l’aggregato e raccogliere ioni positivi. Pertanto, il tipico aggregato di un micron (contenente circa 1011 elettroni) può attrarre e trasportare da 100.000 a un milione di ioni positivi. Tali aggregati, soprattutto quando sono più energetici di un valore energetico di soglia, possono produrre delle reazioni nucleari a bassa energia (LENR), sebbene il loro sfruttamento pratico per la produzione di energia richieda step ulteriori.

La differenza tra l’impatto di un aggregato tipico e di un aggregato che produce una reazione nucleare può essere facilmente osservata su microfotografie, fatte al microscopio elettronico, dell’impatto dell’aggregato, come ad es. quelle che troviamo in alcuni lavori di Shoulders. Nel primo caso, il metallo è fuso dall’energia rilasciata dall’impatto dell’aggregato, ma non vi sono prove di reazioni nucleari; nel secondo, l’aggregato causa una vigorosa esplosione con cambiamenti nucleari misurabili.

Si è osservato che l’aggregato di carica mantiene una configurazione stabile anche se costituita principalmente da elettroni. È stato inoltre determinato che questi aggregati di carica sono principalmente toroidali. La dimensione e il numero degli aggregati di carica sono determinati dai parametri di formazione, in particolare dalla grandezza e dalla forma dell’impulso elettrico utilizzato per creare l’aggregato.

Un aggregato di carica, se creato e lanciato in presenza di un forte campo elettrico, è soggetto allo stesso potenziale acceleratore di un elettrone posto nello stesso campo elettrico. La velocità raggiunta da un aggregato di carica in un campo elettrico è all’incirca uguale alla velocità raggiunta da un singolo elettrone. Sebbene l’aggregato possa trasportare un gran numero di ioni positivi, il rapporto tra elettroni e ioni positivi è talmente ampio (da 105 a 106) che gli ioni positivi incorporati o attaccati all’aggregato hanno un effetto molto piccolo sulla velocità impartita all’aggregato dal campo elettrico.

Microfotografie, fatte con un microscopio elettronico, dell’impatto sul bersaglio di un aggregato di carica in cui il metallo si è fuso ma non c’è evidenza di reazioni nucleari, come mostrato nelle relative microanalisi ai raggi X. (fonte: Shoulders, 1996)

La velocità acquisita dall’aggregato fornisce una grande energia cinetica all’aggregato di carica. Nell’elettrodinamica classica, l’energia cinetica di un aggregato di carica è determinata dalla differenza di potenziale (o intensità del campo elettrico) tra l’emettitore (catodo) e il bersaglio (anodo). L’energia cinetica dell’aggregato di carica nel punto o nella superficie dell’emettitore è considerata pari a zero e aumenta man mano che il gruppo di carica si avvicina al bersaglio o all’anodo.

Questa scoperta, che un’alta energia cinetica può essere trasmessa agli ioni positivi da un aggregato che è stato creato in un mezzo a energia relativamente bassa, è assai importante! Ad esempio, quando viene applicata una differenza di potenziale di 5 kV, un protone (deuterone) – nel caso di un aggregato puro di protoni (deutoni) – raggiungerà l’energia di 5 KeV. Tuttavia, un protone (deuterone) incorporato in un aggregato, usando lo stesso potenziale di accelerazione di 5 kV potrebbe raggiungere un’energia cinetica di ben 9,18 (o 18,36 nel caso del deuterone) milioni di elettronvolt (MeV)!

Questa ulteriore energia cinetica è ora sufficiente per superare la barriera di Coulomb di un tipico nucleo bersaglio e produrre reazioni nucleari. Quando un gran numero di tali aggregati di carica, con gli ioni positivi che li accompagnano, vengono prodotti e accelerati su un anodo bersaglio, la velocità di reazione nucleare può essere piuttosto elevata. Nel prossimo futuro, quindi, piccole università e persino scuole secondarie saranno in grado di permettersi un acceleratore di particelle di laboratorio.

Infatti, via via che la ricerca e lo sviluppo sugli aggregati di carica matura, è probabile che questa tecnica di promozione degli ioni positivi ad un’alta energia cinetica diventerà uno dei metodi meno costosi e più semplici per studiare le reazioni nucleari. Un acceleratore compatto, compatto, da tavolo, di particelle cariche potrebbe non essere più un sogno ma diventare una realtà. Tali acceleratori di particelle da tavolo possono essere complementari agli acceleratori di particelle grandi e costosi.

Microfotografia, fatta con un microscopio elettronico, dell’impatto sul bersaglio di un aggregato di carica che ha causato una vigorosa esplosione (a sinistra) ma anche cambiamenti nucleari misurabili con la microanalisi ai raggi X. (fonte: Shoulders, 1996)

Come spiegato in precedenza, quando un aggregato di carica viene accelerato in un campo elettrico (e sta trasportando qualcosa come forse 106 ioni positivi), c’è energia sufficiente per creare reazioni nucleari quando colpisce gli ioni positivi (che automaticamente esso crea) nei nuclei del materiale bersaglio. Questa affermazione può essere chiaramente dimostrata replicando gli esperimenti di Shoulders. La microscopia elettronica a scansione può essere utilizzata per determinare se ci sono cambiamenti nucleari nelle vicinanze del cratere di impatto dell’aggregato di carica. In caso contrario, l’impatto è prodotto probabilmente da un aggregato di cariche con energia insufficiente per promuovere reazioni nucleari.

I parametri dell’esperimento devono essere selezionati in modo che gli aggregati di carica vengano prodotti e portino ioni positivi. Concettualmente, la differenza tra un aggregato di elettroni e un aggregato di ioni positivi può essere determinata dalla differenza tra i rapporti di carica-massa. In alternativa, per determinare se gli aggregati di carica trasportano ioni positivi, è meglio se l’esperimento viene eseguito solo per un breve periodo e il bersaglio di metallo viene visualizzato prima che l’elettrodo bersaglio assomigli alla superficie della luna con troppi effetti di impatti che ostruiscono la vista.

Le informazioni fisico-chimiche di base sull’E-Cat

Sebbene le reazioni esotermiche proprie dell’E-Cat siano ancora soggette a speculazioni e questo articolo abbia descritto quelle che appaiono ormai essere le ipotesi più verosimili (reazioni fra litio e forme compatte elettricamente neutre o quasi, create in un opportuno ambiente, di idrogeno monoatomico + elettroni), la fisica-chimica che coinvolge inizialmente i due reagenti – idrogeno e litio, nonché il catalizzatore usato in polvere in alcune versioni del reattore – è ben nota, e verrà in questa parte finale brevemente accennata.

Ad esempio, come spiegato nel brevetto US9115913B1 concesso alla Leonardo Corporation di Andrea Rossi nel 2015 – e che è il principale relativo all’E-Cat di seconda generazione (cioè una forma avanzata dell’Hot-Cat illustrato nel libro Hot-Cat 2.0: How last generation E-Cats are made) – l’E-Cat usa una sorgente di calore e una miscela di “combustibile”, collocata in un inserto del reattore, composta da litio e litio alluminio idruro (LiAlH4), più un catalizzatore costituito da nichel, tutti in forma di polvere.

Schema dell’E-Cat di seconda generazione (in alto) e, in particolare, del suo wafer di “combustibile” (in basso) secondo il brevetto della Leonardo Corp (2015).

Il brevetto precisa poi che “la miscela di combustibile consiste per la maggior parte di particelle sferiche aventi diametri nell’intervallo fra 1 nanometro e 100 micrometri. Le variazioni nel rapporto fra i reagenti ed il catalizzatore tendono a governare il tasso di reazione e non sono critiche. Comunque, è stato trovato che un’opportuna miscela iniziale è composta da 50% nichel, 20% litio e 30% LiAlH4. Nell’ambito di questa miscela il nichel agisce da catalizzatore, non da reagente, e la sua funzione può essere svolta anche da altri elementi della colonna 10 della tavola periodica, come il platino o il palladio.”

Si noti che, nei brevetti provvisionali relativi ai reattori Hot-Cat precedenti (come ad es. quelli citati e descritti in grande dettaglio nel libro in questione), il litio non era mai stato citato da solo, bensi era citato solo l’LiAlH4, lasciando intendere che veniva fornito solo attraverso la decomposizione del litio alluminio idruro (LiAlH4), che però – come vedremo tra poco – ne libera i vapori solo ad altissima temperatura. L’aggiunta, nel brevetto sopra citato, del litio da solo potrebbe voler dire che si è preferito inserire il litio in forma già disponibile per poter lavorare a temperature più basse (oppure per avere, semplicemente, più litio in rapporto all’idrogeno) e usare invece il LiAlH4 soprattutto per fornire idrogeno.

Quando viene fornito calore al litio alluminio idruro (attraverso il riscaldamento con una resistenza elettrica), questo si dissocia con una reazione che è la sequenza di tre diversi stadi occorrenti a temperature diverse. Secondo il brevetto, una volta che la sequenza di reazioni è iniziata, la tensione applicata al reattore può essere tolta, dato che la sequenza di reazioni si auto-sostenta. Tuttavia, dato che il tasso di reazione può non essere costante, si preferisce ogni tanto riattivare la tensione – sulla base del feedback fornito da un sensore di temperatura posto sul reattore – per rinvigorire la reazione.

Le reazioni di decomposizione coinvolgenti il litio alluminio idruro (LiAlH4) usato nell’E-Cat di seconda generazione (Hot-Cat), che permettono il rilascio di idrogeno biatomico.

Il LiAlH4, che contiene il 10,6% dell’idrogeno in peso per cui è un eccellente mezzo per l’accumulo di idrogeno anche nei veicoli elettrici alimentati da celle a combustibile, come detto si decompone in tre passi mostrati nella figura qui sopra. La prima delle tre reazioni (che è irreversibile) è avviata usualmente dalla sua fusione nell’intervallo di temperatura 150-170 °C, seguita immediatamente dalla decomposizione in Li3AlH6 solido (con un rilascio di idrogeno del 5.3% in peso). A circa 127-260 °C, l’Li3AlH6 si decompone (seconda reazione, che rilascia il 2,6% di idrogeno in peso) in alluminio (Al) e nella lega metallica LiH, che sopra i 400 °C si converte (terza reazione, reversibile a 0,25 bar a 500 °C) in LiAl, rilasciando il restante idrogeno, che dunque si libera abbastanza gradualmente all’aumentare della temperatura.

I prodotti finali delle tre reazioni appena citate che coinvolgono il LiAlH4 introdotto inizialmente sono, quindi, tre: idrogeno (gas), LiH (o idruro di litio), , la lega metallica LiAl. L’idruro di litio, o LiH, fonde a quasi 700 °C diventando liquido, mentre la lega metallica LiAl fonde poco sopra tale temperatura, diventando anch’essa liquida. Il litio proveniente dal LiAlH4 può dunque ora reagire. Alla temperatura di 1.200 °C (ma possiamo dire già da circa 700 °C in su), c’è praticamente solo idrogeno allo stato gassoso, mentre litio e alluminio sono allo stato liquido. Risulta interessante notare che, negli esperimenti di replica dell’Hot-Cat eseguiti da Parkhomov, il cosiddetto “effetto Rossi“, ovvero l’eccesso di calore, comincia a manifestarsi proprio sopra i 700 °C. Potrebbe non essere casuale.

Lo stato di aggregazione dei reagenti (1 = solido, 2 = liquido, 3 = gassoso) presenti nel reattore del fisico russo Alexander Parkhomov, replica dell’Hot-Cat, l’Ecat di seconda generazione di Rossi.

Se noi riempiamo, come nella replica dell’Hot-Cat da parte del fisico russo Alexander Parkhomov illustrata nel mio articolo che trovate qui, una camera di reazione avente un volume di 2,36 ml con 1 grammo di nichel e 0,1 grammi (pari al 10% in peso) di LiAlH4, si può calcolare – con uno dei miei numerosi simulatori realizzati quando ero consulente sulle LENR per alcune piccole aziende italiane – che il volume apparente occupato da Ni + LiAlH4 è di circa il 96%, mentre il volume occupato reale (tenendo conto della loro densità) è di appena il 9%, per cui a temperatura ambiente (condizioni STP) l’aria occupa il restante 91%.

Con il medesimo simulatore si scopre che il numero di atomi di aria (azoto e ossigeno) disponibili nel reattore è del tutto trascurabile (v. grafico qui sotto), e quindi l’aria residua non influenza le reazioni di base, per cui non è necessario fare il vuoto preliminare. Si scopre inoltre che gli atomi di nichel presenti sono circa il doppio di quelli di idrogeno e circa 10 volte più numerosi di quelli di litio (il che spiega perché ha senso aggiungere del litio separatamente). Si apprende poi che la pressione attesa dell’idrogeno nel reattore a 1.200 °C è 288 bar (mentre quella dell’aria alla stessa temperatura è 4,5 bar).

Il numero relativo di atomi presenti nel reattore di Alexander Parkhomov, replica di un Hot-Cat di Andrea Rossi secondo le informazioni fornite nel “Lugano report” (fonte: simulazioni personali)

Dato che negli Hot-Cat reali di Rossi le pressioni non superano i 5-6 bar (altrimenti, ovviamente, ben prima di arrivare a 288 bar esploderebbero), e che in particolare in quello di Parkhomov a 1.200 °C la pressione non supera in realtà 1 bar, la spiegazione è che la maggior parte dell’idrogeno viene in realtà assorbita nel reticolo cristallino dei grani di nichel. Si scopre infine che, a tale temperatura, il “caricamento” dell’idrogeno nel nichel è di 0,62 (inferiore quindi a 0,87, che è la nota soglia di caricamento minima del deuterio nel palladio perché le reazioni esotermiche si inneschino, e al di sotto della quale non si osserva alcun fenomeno; meglio, comunque, se il rapporto stechiometrico Palladio-Deuterio è di 1:1).

Vai alla prima parte dell’articolo. Vai alla terza parte dell’articolo.

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.

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