La fusione nucleare controllata è stata un santo graal per i fisici che cercano una fornitura infinita di energia pulita. Scienziati della Rice University, l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e l'Università del Cile hanno offerto uno sguardo su un possibile nuovo percorso verso tale obiettivo.

Il loro rapporto sulla fusione quantistica avanza l'idea che invece di riscaldare gli atomi alle temperature che si trovano all'interno del sole o romperli in un collisore, potrebbe essere possibile spingerli abbastanza vicino da fondersi usando impulsi laser sagomati:ultracorti, lampi sintonizzati di luce coerente.

Autori Peter Wolynes di Rice, Martin Gruebele dell'Illinois e l'alunno dell'Illinois Eduardo Berrios del Cile hanno simulato reazioni in due dimensioni che, se estrapolato a tre, potrebbe semplicemente produrre energia in modo efficiente da deuterio e trizio o altri elementi.

Il loro articolo appare nell'edizione festschrift di Lettere chimico fisiche dedicato ad Ahmed Zewail, Consulente post-dottorato di Gruebele e premio Nobel per il suo lavoro sulla femtochimica, in cui i lampi laser della durata di femtosecondi innescano reazioni chimiche.

La tecnica femtochimica è fondamentale per la nuova idea che i nuclei possono essere spinti abbastanza vicino da superare la barriera di Coulomb che costringe gli atomi di carica simile a respingersi l'un l'altro. Quando ciò è compiuto, gli atomi possono fondersi e rilasciare calore attraverso la diffusione dei neutroni. Quando viene creata più energia di quella necessaria per sostenere la reazione, la fusione prolungata diventa praticabile.

Il trucco è fare tutto questo in modo controllato, e gli scienziati hanno perseguito un tale trucco per decenni, principalmente contenendo plasmi di idrogeno a temperature simili al sole (presso il National Ignition Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e lo sforzo del reattore sperimentale termonucleare internazionale in Francia) e in grandi strutture.

Il nuovo documento descrive una simulazione di prova di principio di base che mostra come, in due dimensioni, un impulso laser sagomato spingerebbe una molecola di deuterio e trizio, i suoi nuclei già in bilico a una distanza internucleare molto più piccola che in un plasma, quasi abbastanza vicino da fondersi. "Ciò che impedisce loro di unirsi è la carica positiva dei nuclei, ed entrambi questi nuclei hanno la carica più piccola, 1, "Ha detto Wolynes.

Ha detto che le simulazioni 2-D erano necessarie per mantenere pratici i calcoli iterativi, anche se per farlo è stato necessario rimuovere gli elettroni dalle molecole modello. "Il modo migliore per farlo sarebbe lasciare gli elettroni accesi per aiutare il processo e controllare i loro movimenti, ma questo è un problema di dimensione superiore che noi, o qualcuno, affronteremo in futuro, "Ha detto Wolynes.

Senza gli elettroni, era ancora possibile portare i nuclei all'interno di una piccola frazione di un angstrom simulando gli effetti del 5-femtosecondo sagomato, impulsi laser nel vicino infrarosso, che teneva insieme i nuclei in una molecola "limitata al campo".

"Per decenni, i ricercatori hanno anche studiato la fusione catalizzata da muoni, dove l'elettrone nella molecola di deuterio/trizio è sostituito da un muone, "Gruebele ha detto. "Pensatelo come un elettrone 208 volte più pesante. Di conseguenza, la distanza del legame molecolare si riduce di un fattore 200, bilanciando ancora meglio i nuclei per la fusione.

"Purtroppo, i muoni non vivono per sempre, e l'aumento dell'efficienza della fusione non raggiunge il punto di pareggio nella produzione di energia, " ha detto. "Ma quando gli impulsi laser ultravioletti sottovuoto diventano disponibili quanto quelli nel vicino infrarosso che abbiamo simulato qui, il controllo quantistico della fusione muonica potrebbe farla superare la soglia".

Poiché il modello funziona a livello quantistico, dove le particelle subatomiche sono soggette a regole diverse e hanno le caratteristiche sia delle particelle che delle onde, entra in gioco il principio di indeterminazione di Heisenberg. Ciò rende impossibile conoscere la posizione precisa delle particelle e rende la messa a punto dei laser una sfida, ha detto Wolynes.

"È chiaro che il tipo di impulsi di cui hai bisogno deve essere altamente scolpito e avere molte frequenze al loro interno, " ha detto. "Probabilmente ci vorrà della sperimentazione per capire quale dovrebbe essere la migliore forma di impulso, ma il trizio è radioattivo, quindi nessuno vuole mai mettere il trizio nel proprio apparato finché non è sicuro che funzionerà."

Wolynes ha detto che lui e Gruebele, il cui laboratorio studia il ripiegamento delle proteine, dinamica cellulare, microscopia nanostrutturale, comportamento di nuoto dei pesci e altri argomenti, ho pensato alle possibilità per circa un decennio, anche se la fusione nucleare è più un hobby che una professione per entrambi. "Finalmente abbiamo avuto il coraggio di dire, 'Bene, vale la pena dire qualcosa al riguardo.'

"Non stiamo avviando una società ... ancora, " ha detto. "Ma ci possono essere angoli qui che altre persone possono pensare che porterebbero a qualcosa di pratico anche a breve termine, come la produzione di brevi impulsi di particelle alfa che potrebbero essere utili nelle applicazioni di ricerca.

"Mentirei se dicessi che quando abbiamo iniziato il calcolo, Non speravo che potesse risolvere i problemi energetici dell'umanità, " ha detto Wolynes. "A questo punto, non lo fa. D'altra parte, Penso che sia una domanda interessante che ci avvia su un nuovo percorso".