20/21-2010 | Einstein
PDF Stampa E-mail

Quella formula di Einstein che ha cambiato il mondo / 2

dott. ing. Enrico Rota

I processi di trasformazione della materia in energia L’Umanità è dunque tesa ancor oggi a compiere ulteriori passi in avanti rispetto alla fissione, per cercare di avvicinarsi gradualmente e, senza dubbio, faticosamente, alla vertiginosa vetta scoperta da Albert Einstein. La cima dei 25 miliardi di chilowattora per chilogrammo di materia sarebbe tuttavia una mèta ancora lontana,anche qualora venisse raggiunto l’obiettivo della fusione pura o del reattore ibrido. Per meglio chiarire questa idea, si riportano, in tabella, i rapporti di trasformazione massa-energia dei processi fisici noti, almeno i principali. I valori sono orientativi. Si tratta di quantità adimensionali (numeri puri). I valori riportati in tabella sono stati ottenuti dalla formula di Einstein.Essi esprimono, seppure in modo approssimato, il guadagno assoluto di energia di un dato processo fisico; essi dicono, ad esempio, che la fissione nucleare libera “soltanto” la milionesima parte del contenuto di energia racchiuso entro la materia.

Il rapporto fra i valori tabulati esprime invece il guadagno relativo di un dato processo rispetto ad un altro. La fissione nucleare, ad esempio, consente di ottenere un quantitativo di energia, a parità di massa, diecimila volte maggiore di quello ottenuto con la combustione chimica; mentre la fusione permette di moltiplicare per cento o per mille il guadagno conseguito con la fissione. Quanto detto si riferisce a ciò che avviene qui, sulla Terra, o, volendo sfruttare al massimo l’energia da fusione, nel cuore di una stella. I processi di trasformazione massa-energia si esauriscono qui? (vedi tabella a pag. 21) Il motore a gravità dei quasar Secondo gli astrofisici esistono, nell’Universo, corpi celesti che splendono più di qualunque altro,comprese le stelle più grandi e luminose. Sono denominati “Quasar”, che è l’acronimo di “Quasi-stellar radio sources” (“sorgenti radio quasi-stellari”). Sono gli oggetti di gran lunga più brillanti e luminosi del cielo, ma anche i più lontani: ecco perché sono visibili soltanto con i grandi telescopi, pur essendo tanto splendenti. Si collocano a distanze di alcuni miliardi di anni luce da noi e sono tra i corpi celesti più antichi dell’Universo, essendo nati poco tempo dopo il Big Bang. Essi emettono una quantità di luce maggiore di quella prodotta da tutte le stelle di una galassia, come la nostra, ad esempio: la Via Lattea ne possiede circa cento miliardi. In che modo viene generata tanta energia luminosa ? Gli astrofisici hanno cercato una spiegazione.

Secondo le loro valutazioni esiste, nell’Universo, un processo di trasformazione della massa in energia molto più efficace della fusione nucleare, da dieci a cento volte tanto, o forse anche più. Esso avviene nei quasar e fa sì che ognuno di essi brilli come parecchi miliardi di stelle messe assieme. È un meccanismo di natura gravitazionale, non nucleare, ed è dovuto a corpi celesti dotati di proprietà fisiche straordinarie: sono stati identificati come imponenti buchi neri, dotati di massa molto grande e in rapida rotazione su se stessi. Trattandosi di buchi neri, sono oggetti molto densi e compatti, tanto da occupare una zona di spazio limitata: è dell’ordine di grandezza di un giorno-luce, pari dunque a quella occupata dal sistema solare, nonostante questi buchi neri abbiano una massa pari a 100 milioni di volte quella di una stella come il Sole. Si annidano nel cuore dei quasar e funzionano da “motore” dei medesimi. In che modo ? I buchi neri, o”black holes” con termine anglosassone, sono oggetti molto misteriosi, nonostante posseggano tre sole proprietà fisiche fondamentali: la massa, la carica elettrica e il momento angolare. Sono scaturiti da alcune soluzioni delle equazioni della Relatività Generale di Einstein.

La loro esistenza è stata predetta,per via teorica,dall’astronomo tedesco Karl Schwarzschild nel 1917, un anno dopo la pubblicazione della Relatività Generale. I buchi neri sono caratterizzati dal fatto di generare campi di gravità molto intensi, non confrontabili con quelli che ci circondano, essendo dotati di una grande massa concentrata in uno spazio ristretto; in tal modo la loro densità può raggiungere valori veramente alti, del tutto inusuali, dell’ordine dei miliardi di tonnellate per centimetro cubo di materia (specie per i buchi neri relativamente piccoli, di massa stellare). Per questo motivo, essi esercitano una forza attrattiva molto intensa sui corpi circostanti, tanto che nessun oggetto è in grado di sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, neppure la luce: per questo motivo appaiono invisibili. Possono essere osservati solo in modo indiretto, attraverso la misura dei loro effetti gravitazionali.

Che accade allora ai giganteschi buchi neri nascosti nel centro dei quasar? L’intenso campo di gravità di questi esoterici corpi celesti permette loro di catturare grandi quantità di materia, in buona parte sotto forma di gas, polvere e plasma provenienti dalle stelle limitrofe; in effetti i quasar altro non sono che i nuclei di galassie attive, circondate da stelle. Accade pertanto che il buco nero, quiescente nel cuore del quasar, inghiotte, alla lettera, ingenti quantitativi di materia stellare; quest’ultima, durante la fase di caduta verso il buco nero, accelera fortemente la propria corsa, sino a che le particelle che la compongono raggiungono velocità prossime a quelle della luce (dette perciò “velocità relativistiche”). In tal modo acquistano un’immensa quantità di energia e si riscaldano sensibilmente. Successivamente, per effetto della propria rotazione, il buco nero costringe le particelle del plasma stellare a ruotare vorticosamente intorno al proprio asse, accelerandole ulteriormente e formando intorno a sé una specie di grande aureola luminosa,a forma di disco appiattito, detta perciò “disco di accrescimento” . È a causa di questi fenomeni che il disco di accrescimento si riscalda sempre di più, sino a diventare caldissimo, incandescente, tanto da emettere enormi quantitativi di radiazione, di tutte le frequenze, compresa la luce visibile. In tal modo i quasar risplendono più di ogni altro astro sulla volta celeste.

I quasar, tuttavia, appartengono più al passato che al presente dell’Universo. L’emissione di così grandi quantitativi di radiazione fa sì che essi esauriscano piuttosto rapidamente la loro riserva di “combustibile” e che abbiano pertanto una vita relativamente breve, dell’ordine del miliardo di anni. Perciò, buona parte dei quasar si sono già spenti .Dopo il Big Bang erano presenti in gran numero, che si è drasticamente ridotto nei miliardi di anni successivi. Si rammenta che il Big Bang è avvenuto quattordici miliardi di anni orsono(circa) . Consideriamo, come riferimento, il quasar 3C-273. È stato osservato per la prima volta nel 1963, a Jodrell Bank, in Inghilterra. L’immagine del testo è stata invece ricavata molti anni dopo, nel 2003, e proviene dal telescopio spaziale Hubble, della NASA. Il 3C-273 è il primo quasar ad essere stato scoperto, oltre ad essere uno dei più luminosi e più vicini a noi. Emette una quantità di energia tanto elevata da apparire più luminoso di almeno 100 comuni galassie insieme, ognuna simile alla Via Lattea. Perché ciò avvenga il 3C-273 deve inghiottire, in un anno, almeno una stella grande come il Sole, convertendo in energia di radiazione la sua massa.

La distanza da noi di questo enorme quasar è stata stimata pari a 3 miliardi di anni luce, mentre la sua velocità di allontanamento è di 45.000 km/s (circa un settimo della velocità della luce). Questo effetto di recessione è dovuto al fenomeno di espansione dello spazio, anch’esso previsto dalla Relatività Generale. L’annichilazione La reazione di annichilazione rappresenta la massima possibilità in merito: l’intero valore di massa si converte in energia. Riuscendo ipoteticamente ad annichilire un chilogrammo di materia, si conseguirebbe il notevole risultato di trasformare integralmente la materia in energia e a raggiungere il tetto previsto dalla formula di Einstein. Attualmente questo obiettivo non è in alcun modo raggiungibile. La reazione di annichilazione viene utilizzata soprattutto a scopo di ricerca, negli acceleratori di particelle in particolare, ove si cercano di riprodurre gli intensi valori di temperatura ed energia esistiti alle origini dell’Universo. A tale scopo vengono fatte collidere tra loro coppie di particelle e antiparticelle, le quali, attraverso la reazione di annichilazione, convertono la loro massa in fotoni di altissima energia.

Generalmente si provoca l’urto di coppie elettrone-antielettrone, o protone-antiprotone, dopo averli opportunamente accelerati, sino a raggiungere valori molto alti di energia cinetica. In questo modo la collisione è più energica, tanto da consentire di raggiungere valori di energia dell’ordine del TeV (Teraelettronvolt), come avviene nel Tevatron di Chicago, che è un collisore di protoni e di antiprotoni. A tale energia corrisponde una temperatura assoluta di molti miliardi di gradi kelvin. Valori così elevati sono esistiti nei primi istanti del Big Bang. Apriamo ora una breve parentesi. Un’antiparticella ha la stessa massa della particella omonima, ma carica elettrica di segno opposto. L’antielettrone, ad esempio, ha la stessa massa dell’elettrone ma carica elettrica positiva. Perciò l’antielettrone è noto anche come “positrone”(o positone).

Analogo discorso vale per l’antiprotone. Le antiparticelle si trovano in natura nei raggi cosmici o possono essere prodotte artificialmente, seppure in quantità molto limitate. Ogni qualvolta una particella incontra la corrispondente antiparticella, si verifica il fenomeno di annichilazione, nel quale entrambe le particelle liberano l’energia equivalente alla somma delle loro masse. In tal modo la reazione produce un’intensa emissione di raggi gamma di altissima energia. Al momento attuale è possibile applicare questa reazione solo a quantitativi di massa molto limitati. Non si sa ancora se questo processo potrà mai essere utilizzato in futuro su scala più ampia, per produrre grandi quantitativi di energia. Oggi questa possibilità non è contemplata dagli studiosi. La ragione principale è che l’antimateria è molto rara in natura,per non dire assente. Gli atomi di cui è composta la Terra, ad esempio, contengono protoni, neutroni ed elettroni, mai però le loro antiparticelle. Allo stesso modo non sono ancora state osservate antistelle né tantomeno antigalassie, anche se la loro esistenza non può essere esclusa in modo assoluto, così come non si può respingere “a priori” l’idea della possibile presenza di nubi di antiparticelle all’interno delle galassie stesse. Si può dire che l’avventura della ricerca di antimateria è appena iniziata. Perciò, al momento, le antiparticelle devono essere prodotte artificialmente, la quale opera richiede l’impiego di macchine costose e il dispendio di notevoli quantità di energia, nonché di tecniche raffinate e ancora in fase di studio.

Al momento i fabbisogni energetici dell’umanità sono pertanto affidati, in buona parte, ai primi due processi citati, la combustione tradizionale e la fissione nucleare, mentre la fusione rappresenta, seppure in prospettiva non immediata, la più ingente risorsa di energia. In relazione ai processi citati è da sottolineare il fatto che l’energia viene liberata quando si spezza l’equilibrio delle forze che danno unità e coesione alla materia. Nel processo di combustione chimica si rompe l’equilibrio delle forze elettromagnetiche, che tengono unite fra loro le molecole di una data sostanza (legna, carbone, ecc.).Nella reazione di fissione nucleare si spezza l’equilibrio delle forze nucleari, le quali tengono uniti tra loro i costituenti del nucleo atomico, cioè i protoni e i neutroni. È bene ricordare il fatto che l’intensità delle forze nucleari è notevolmente maggiore di quelle elettromagnetiche. Questo aspetto della natura ha reso più difficile la messa a punto di tecnologie adatte a liberare l’ingente quantità di energia posseduta dai nuclei atomici. Analogamente gli ostacoli aumentano via via che si cerca di avvicinarsi al valore massimo di energia previsto dalla formula di Einstein. In tutti i processi citati l’energia viene liberata sotto forma di calore, che viene opportunamente trasformato in energia elettrica.

Bibliografia

  • Carlo Lombardi ed Ernesto Pedrocchi, Introduzione all’energia nucleare, Edizione Polipress 2008- Politecnico di Milano
  • Guido Possa, Energia da fusione nucleare:nonostante gli sforzi resta un miraggio, II Giornale dell’Ingegnere,n.15,15 settembre 2009
  • Michael Moyer, La falsa partenza della fusione, Le Scienze, maggio 2010.
  • Julian Hunt and Graham O’Connor, The third nuclear option, New Scientist, 6 march 2010, pagg. 22-23.
  • Avery Broderick e Abraham Loeb, Ritratto di un buco nero, Le Scienze, febbraio 2010
  • John Gribbin, Astronomia, Enciclopedia di Astronomia e Cosmologia, Edizione speciale per il Giornale, Garzanti libri S.p.A., Milano, 2004.
  • Enrico Rota, L’universo e le sue origini – La scienza moderna alla scoperta della Creazione, Edizioni UCIIM, Roma, 1998.
 

Usiamo i cookies per darti un'esperienza pratica e senza soluzione di continuità sul nostro sito. Continuando a navigare in questo sito, concordi con la nostra politica sui cookies. Scopri di più sui cookies nella nostra pagina dedicata alla Politica sui Cookies.

Accetto e proseguo la navigazione del sito