La fusione nell’Universo: il potere del Sole Understand article

Traduzione di Davide Del Campo. Mark Tiele Westra dell’ Intesa Europea per lo sviluppo della fusione (EFDA) a Garching, Germania, parla della sorgente dell’energia sulla Terra: il Sole.

Fino a solo un centinaio di anni fa, nessuno aveva idea di come il Sole riuscisse a produrre l’enorme quantità di energia che irradia nello spazio. Certo c’erano pensieri ed idee, alcune molto geniali. Qualche studente pensava che il Sole fosse un’immensa nube di gas, collassata a causa della sua gravità e riscaldatasi a causa dell’attrito e delle collisioni. Altri pensavano che il Sole non avrebbe mai dovuto raffreddarsi dal momento della sua creazione. Queste idee portavano a una conclusione simile: il Sole non potrebbe essere più vecchio di un paio di decine di milioni di anni. Se fosse stato più vecchio, si sarebbe già raffreddato.

Ma poi vennero Darwin e i suoi colleghi, che studiarono la formazione e l’erosione delle rocce e la lenta, lentissima evoluzione della vita. Affinché le loro teorie avessero senso, era necessario che il Sole fosse molto più anziano: almeno centinaia di milioni di anni forse anche miliardi di anni. La controversia imperava.

Fu solo con la scoperta della radioattività e la comprensione del sorprendente concetto che massa ed energia sono qualcosa di intercambiale in accordo con la relazione di Einstein E=mc2, che si trovò una soluzione. Sir Arthur Eddington, un astronomo inglese, per primo dette peso alle evidenze, e coraggiosamente suppose che potesse essere la fusione nucleare, il processo che crea elementi più pesanti con la fusione di più leggeri, ad essere responsabile della copiosa produzione di energia del Sole. Nel frattempo abbiamo scoperto che il Sole effettivamente brucia idrogeno, il gas più leggero dell’Universo, e lo trasforma in Elio. Sappiamo perfino come. Si veda la figura sotto.

La produzione di energia nel Sole: due nuclei di idrogeno si fondono per formare un nucleo di deuterio, un positrone ed un neutrino. Il positrone incontra rapidamente un elettrone, essi si annichilano reciprocamente, e ne rimane solo energia. Il nucleo di deuterio va a fondersi con un altro nucleo di idrogeno per formare elio-3. Nello stadio finale, due nuclei di elio-3 si fondono per formare elio-4 e due nuclei di idrogeno.
Immagine cortesemente messa a disposizione da Mark Tiele Westra

I dettagli di questo processo sono interessanti. In primo luogo, un nucleo di idrogeno (protone) nel Sole deve aspettare in media cinque miliardi di anni prima di saltare il fosso, fondendosi con un altro nucleo di idrogeno per formare deuterio. Questa è in realtà  una buona notizia per noi : se ciò avvenisse più velocemente, il Sole avrebbe esaurito il carburante da tempo e noi non saremmo qui. Il secondo stadio, quello in cui l’elio-3 è prodotto dal deuterio e dall’idrogeno, si realizza in media ogni 1,4 secondi, e lo stadio finale, la produzione dell’elio, impiega 240.000 anni. L’energia rilasciata durante il processo di fusione è convertita in fotoni: la luce.

Quando il primo passo è fatto, e sono stati prodotti i fotoni di luce, che potrebbero un giorno raggiungere la Terra, essi devono avere ancora un po’ di pazienza. Un fotone si mette in cammino, alla velocità della luce nel suo viaggio verso la Terra, ma quasi immediatamente si scontra con un elettrone che disperde il neonato fotone in una direzione casuale, come la pallina di un flipper. Questo accade di nuovo, e ancora e ancora. Un fotone impiega in media 20.000 anni per percorrere i 695.000 Kilometri dal centro del Sole fino alla sua superficie, viaggiando alla velocità abbastanza patetica di quattro metri all’ora.

Dopo questo lungo ed imprevedibile viaggio, il fotone copre i rimanenti 149 milioni di kilometri fino alla Terra con la normale velocità della luce, e dopo otto minuti, finalmente arriva alla sua destinazione. Ma questi sono i più fortunati: ci sono anche fotoni nel Sole che si formarono cinque miliardi di anni fa, e che non ce l’hanno ancora fatta a venir fuori. Immaginateli come in un labirinto…

Nel processo di fusione si forma un’altra strana particella: il neutrino (vedi figura). Un neutrino interagisce difficilmente con la materia e quindi riesce a scappare via dal Sole in un istante. Un enorme numero di neutrini si formano nel Sole: ogni secondo 100 miliardi di neutrini solari attraversano la punta di ognuna delle vostre dita! La maggior parte dei neutrini passa attraverso l’intera Terra senza nessun effetto. Di fatto un neutrino potrebbe attraversare un anno luce di piombo senza essere fermato!

Quando noi pensiamo al centro del Sole ci immaginiamo una sorta di violenta  fornace ardente che produce calore. Con una densità pari a 150 volte quella dell’acqua (mezzo litro di Sole pesa quanto una persona media) e con una temperatura di 15.000.000 di gradi Celsius esso è un ambiente abbastanza scoraggiante da ogni punto di vista. Ma se prendeste un metro cubo del materiale al centro del Sole, trovereste che esso produce circa 30  Watt, appena sufficienti  ad accendere una comune lampadina. Sono le dimensioni che ci permettono di sentire il suo calore sulla Terra.

Attualmente, il Sole brucia 600 milioni di tonnellate di idrogeno ogni secondo, convertendole in 569 milioni di tonnellate di elio. Dove sono finite quattro milioni di tonnellate scomparse? Esse sono state completamente trasformate in energia. Applicando la relazione E=mc2 (con E energia, m massa e c velocità della luce), troviamo che 4  milioni di tonnellate di materia equivalgono a 100 000 000 000 000 000 000 kilowattora di energia, o approssimativamente un milione di volte l’ammontare dell’energia che il mondo intero consuma in un anno. E questa energia è rilasciata dal Sole ogni secondo! Ecco qui il potere del Sole!

Finora il Sole ha bruciato metà della sua scorta del carburante idrogeno. Esso ha bruciato per cinque miliardi di anni, e ancora ne brucierà per altri cinque miliardi di anni. E dopo? Quando la festa sarà finita, il Sole si gonfierà per diventare una “gigante rossa”, facendo evaporare completamente l’atmosfera, tutta l’acqua e ogni forma di vita sul nostro pianeta. Noi dovremmo essere scomparsi prima di quel tempo, ma godiamocela finchè dura.

La scoperta dell’elio

Nel diciassettesimo secolo, gli scienziati studiarono la composizione della luce (lo spettro) scomponendola  nei suoi differenti colori utilizzando una sottile fenditura ed un prisma. Dagli esperimenti con i gas incandescenti si comprese  che gli elementi, quando venivano riscaldati, emettevano selettivamente certi precisi colori di luce, rivelando righe luminose nello spettro (pensate a un tubo al neon).

Esaminando lo spettro del Sole, si trovarono linee scure che corrispondono esattamente alla posizione in cui apparivano le linee luminose nello spettro dei gas incandescenti. Si capì rapidamente che le linee scure dovevano essere prodotte dallo stesso elemento che invece di emettere luce la assorbiva. In tal modo, la composizione del Sole poté essere analizzata con cura studiando lo spettro della luce solare.

La maggior parte delle righe dello spettro solare furono riconosciute come appartenenti agli stessi elementi comuni sulla Terra, ma ce n’era una serie nello spettro solare che sfuggiva agli scienziati. Nel1868, l’astronomo inglese Norman Lockyer avanzò l’ipotesi che le righe scure fossero causate da un elemento fino allora sconosciuto presente nel Sole, che chiamò “elio”, come il dio greco del Sole Helios : Fu solo 25 anni dopo che l’elio venne isolato per la prima volta sulla Terra.

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EUROfusion

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Nell’epoca i cui le fonti di energia non rinnovabili stanno velocemente scomparendo e si ricercano freneticamente fonti di energie rinnovabili efficaci, la fusione è spesso il soggetto di discussioni in molti giornali scientifici e nei quotidiani. Gli studenti, per la loro giovane età, possono essere messi di fronte a questo termine senza capire nemmeno cosa significhi.

Mark Tiele Westra dell’ Intesa Europea per lo sviluppo della fusione (EFDA) a Gaching, Germania, ci dà un resoconto interessante e sintetico del processo di fusione che si realizza nel Sole. Nonostante l’articolo fornisca una trattazione teorica dell’argomento e sia di interesse per gli insegnanti di scienze così come è,  esso e anche arricchito da un illustrazione altamente informativa, pertanto può essere facilmente usato per spiegare la fusione durante le lezioni di scienze in classe e adattato al livello delle abilità degli studenti. Per quelli più interessati ci sono anche informazioni dettagliate sulla scoperta dell’elio.


Elton Micallef, Malta




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