L’idrogeno. È l’ elemento naturale più abbondante nell’Universo visibile, ed è la ragione principale per cui oggi ricaviamo così tanta della nostra energia dai combustibili fossili.
Curiosamente, l’idrogeno potrebbe anche rivelarsi la sostanza che ci allontana per sempre dall’uso dei combustibili fossili, ma in un modo sorprendente, sconosciuto alla maggior parte delle persone. Questa nuova tecnica non comporta né la combustione né la fusione nucleare.
Elenchiamo, prima di tutto, ciò che sappiamo sull’idrogeno e poi spieghiamo il resto.
Sebbene l’idrogeno sia abbondante, è un fatto curioso che il 96% della massa dell’Universo sia rappresentato da una sostanza sconosciuta e invisibile, la cosiddetta materia oscura e l’energia oscura.
Non possiamo vederla, ma possiamo dedurre dai suoi effetti gravitazionali nell’Universo in generale che deve essere presente (inclusi, negli ultimi anni, gli effetti delle “lenti” gravitazionali catturate dalle immagini del Campo Profondo raccolte dal telescopio orbitante “Hubble”).
Lente di materia oscura delle galassie, Copyright NASA, 2 febbraio 2012
Solo il 4% della materia dell’Universo è effettivamente visibile: o perché brilla o riflette la luce, o perché assorbe la luce da fonti che emettono luce dietro di essa (come gas e polvere).
Di questa materia visibile nello spazio, l’idrogeno e l’elio costituiscono la stragrande maggioranza: il 98% di tutta la materia visibile è una di queste due semplici sostanze atomiche (l’idrogeno ha esattamente un protone nel suo nucleo mentre l’elio ne ha due). Tutti gli altri elementi atomici costituiscono solo il 2% del già minuscolo 4% di materia visibile.
Quindi cosa c’è di speciale nell’idrogeno? Il motivo per cui oggi usiamo i combustibili fossili è la loro densità energetica, che si riferisce alla quantità di energia che possiamo estrarre da loro per unità di volume; Tale energia è immagazzinata principalmente nei legami “idrogeno” del combustibile, che viene rilasciato quando questi legami sono rotti.
Quando bruciamo combustibili contenenti idrogeno, cioè bruciandoli in presenza di ossigeno, rompiamo questi legami “idrogeno” e il calore e l’energia luminosa vengono prodotti, a volte in modo esplosivo. Solo la fissione nucleare produce energia a densità più elevate, ma al costo di radiazioni pericolose e flusso di neutroni.
Il problema con la combustione di combustibili contenenti idrogeno, tuttavia, è che i loro sottoprodotti di reazione includono non solo H2O (acqua) ma anche CO2, CO, SO2e altri gas. Questo perché i combustibili contenenti idrogeno – carbone, petrolio, benzina, cherosene, gas naturale – includono carbonio, ossigeno, azoto, zolfo e altre sostanze come parte della loro composizione chimica organica; quando queste sostanze bruciano, vengono rilasciati pertanto i gas indesiderati contenenti carbonio e zolfo.
È possibile, tuttavia, bruciare idrogeno puro in ossigeno puro, che crea solo H2O come prodotto. Questo è essenzialmente ciò che accade nei moderni razzi a propellente liquido.
Booster a combustibile liquido sullo Space Shuttle
Il calore viene prodotto da questa combustione, che viene poi convertito in energia meccanica; e poi, se lo si desidera, ulteriormente convertiti in energia elettrica con vari mezzi utilizzando motori e generatori.
Il problema dell’utilizzo dell’idrogeno puro, tuttavia, è che estrarre, purificare e comprimere l’idrogeno in forma di combustibile liquido richiede una grande quantità di energia di partenza. Anche se il sottoprodotto della combustione è pulito, l'”energia investita” nell’estrazione e nello stoccaggio dell’idrogeno gassoso per l’uso in questo modo è troppo elevata, rispetto ad altre fonti energetiche.
Cioè, il “costo energetico per chilogrammo” dell’utilizzo dell’idrogeno in questo modo supera il costo di estrazione e raffinazione dei combustibili liquefatti come benzina o diesel utilizzati nella combustione interna.
L’idrogeno in questo stato è anche in una forma molto più esplosiva, il che significa che i sistemi di alimentazione basati sull’idrogeno compresso devono essere progettati con molta più attenzione per prevenire l’esplosione.
Negli ultimi decenni, come risultato del programma spaziale, sono state create le celle a combustibile. Queste celle possono estrarre idrogeno dal gas naturale, per esempio; piuttosto che bruciare l’idrogeno, creano elettricità direttamente dalle cosiddette membrane a scambio protonico (PEM).
Questo metodo risulta più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all’utilizzo di motori a combustione interna, progettati per convertire prima l’energia chimica in energia meccanica e poi per azionare i generatori per convertirsi nuovamente in energia elettrica, perché la corrente elettrica in un PEM può essere prodotta in un unico passaggio direttamente dagli atomi di idrogeno.
Il sottoprodotto, ancora una volta, è l’acqua: i protoni isolati dall’idrogeno gassoso vengono successivamente ricombinati con l’ossigeno, e questo crea acqua nella cella a combustibile, insieme agli elettroni. Tuttavia le celle richiedono catalizzatori costosi, come il platino, per funzionare. Inoltre risulta necessario immagazzinare idrogeno o un combustibile contenente idrogeno per rendere operative queste celle.
Tecniche più recenti possono essere in grado di estrarre in modo efficiente l’idrogeno dall’acqua usando l’elettrolisi (usando l’elettricità per separare l’idrogeno e l’ossigeno dall’acqua). C’è un’interessante ricerca in corso che coinvolge catalizzatori a bassa tensione e poco costosi per cercare di raggiungere questo obiettivo.
In teoria, si potrebbe estrarre l’idrogeno dall’acqua direttamente nel punto di utilizzo in una cella a combustibile, saltando così le fasi di separazione, compressione e stoccaggio. In questo modo, il sistema sarebbe potenzialmente più leggero e sicuro poiché non c’è idrogeno compresso immagazzinato, ma solo un serbatoio d’acqua.
Infine, ci sono progetti in corso per cercare di estrarre energia dall’idrogeno nel modo in cui il sole lo produce: attraverso un processo chiamato fusione. Utilizzando enormi energie di avvio della reazione, complessi sistemi di confinamento magnetico e potenti laser, possiamo cercare di forzare due atomi di idrogeno così vicini che si “fondono” in un atomo di elio e nel processo rilasciano un’enorme quantità di energia.
Il problema attuale, tuttavia, è l’enorme quantità di energia e complessità necessaria per far funzionare un sistema di fusione dell’idrogeno. La stima migliore è che i sistemi di fusione nucleare sono sempre “lontani 20 anni”, ma questo è stato detto negli ultimi 60 anni circa.
Il mondo ha speso molte decine di miliardi di dollari cercando di creare reattori a fusione calda che producano più energia di quella necessaria per avviare la reazione di fusione.
Un moderno reattore a fusione.
Mentre tutto ciò è incoraggiante, potrebbe anche esserci un modo per estrarre energia dall’idrogeno in un modo molto più semplice ed efficiente, molto più efficiente in termini energetici rispetto alla combustione, all’utilizzo di celle a combustibile PEM o complessi reattori a fusione. Per capire come questo potrebbe essere possibile, dobbiamo fare una deviazione per capire il lavoro del Dr. Randell Mills.
A metà degli anni 1980, durante i suoi studi ad Harvard e al MIT, il Dr. Randell Mills ha lavorato con un gruppo di ricerca sul sistema di difesa missilistica “guerre stellari” creato durante la presidenza Reagan. Il suo lavoro ha riguardato lo studio dei laser a elettroni liberi, che formano “fasci” di elettroni nello spazio libero. Questi possono “fasci” essere puntati su un bersaglio nemico, come un missile in arrivo.
Gli elettroni, una delle particelle fondamentali che compongono tutta la materia nell’Universo, esistono in tre diversi stati, realizzò Mills.
Possono esistere individualmente, nello spazio libero, come parte di un fascio di elettroni, per esempio. In alternativa possono esistere in posizioni orbitali o riuniti in guscio attorno a nuclei atomici o molecole. Infine, gli elettroni possono esistere sulle superfici dei conduttori, come fili metallici o substrati. Si scopri’ che le proprietà fisiche e i comportamenti degli elettroni sono diversi in questi tre scenari; Mills elaborò un nuovo quadro matematico per rappresentare meglio il loro comportamento.
Quando il Dr. Mills iniziò a guardare più profondamente alla fisica conosciuta degli elettroni per capire come potrebbero funzionare i laser a elettroni liberi, si rese conto che la nostra comprensione della natura fisica degli elettroni e persino della più semplice sostanza atomica, l’idrogeno, che contiene un protone caricato positivamente e un elettrone che lo circonda. Era tristemente incompleto. C’erano lacune sorprendenti e i “trucchi” matematici necessari per rinormalizzare le relative formule della Meccanica Quantistica (per rimuovere fastidiosi “infiniti” dalle equazioni) erano preoccupanti.
Una forma dell’equazione d’onda di Schroedinger.
Mentre si accingeva a studiare la matematica e la fisica conosciute, che includono la conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare, le leggi di Newton, l’equazione di Maxwell, la relatività di Einstein, il principio di indeterminazione di Heisenberg, lo studio della meccanica quantistica (QM) e successive estensioni come l’elettrodinamica quantistica (QED), Mills si rese conto che esiste un metodo migliore e più semplice per descrivere la fisica quantizzata di elettroni e fotoni, e per estensione, il loro comportamento in atomi come l’idrogeno.
Ciò lo portò a ideare una nuova fisica, chiamata “GUT-CP”, o “Grande Teoria Unificata della Fisica Classica“. Il suo quadro è racchiuso in tre volumi incredibilmente dettagliati, un capolavoro, che aggiorna continuamente e rende disponibile gratuitamente a tutte le parti interessate da leggere.
Con questa nuova comprensione della “fisicità” dell’elettrone, Mills fu in grado di derivare un nuovo approccio alla comprensione della fisica atomica, compresi i comportamenti quantistici, che ebbe una conseguenza interessante: eliminò la necessità di utilizzare il quadro altamente complesso e controintuitivo inventato nel 1930 noto come “Meccanica quantistica”, che si basava sulla cosiddetta equazione d’onda di Shroedinger.
Ha eliminato alcune delle sconcertanti conseguenze della matematica di Schroedinger, Dirac e Feynman (vedi capitolo 42 delVolume III), preservando la fisicità del comportamento quantistico e radicandola in una nuova base che spiega la fisica dai quark al Cosmo in modo unificato.
Il problema, tuttavia, è che nei suoi primi articoli su questo argomento (incluso questo, nel 2005), così come nel suo volume I della sua opera, ha coraggiosamente esposto quelli che vedeva come i difetti inerenti all’attuale struttura della Meccanica Quantistica, che ha fatto infuriare la maggior parte dell’attuale comunità dei fisici, che erano arrivati ad accettare la QM (meccanica quantistica) come il “vangelo”.
Questa è la storia della scienza: molto spesso, il nuovo ragazzo con la teoria che ribalta la visione accettata viene emarginato, castigato e ridicolizzato: fino a quando non arriva un giorno in cui le sue idee non possono più essere ignorate. Il fatto che la comunità dei fisici moderni non accetti la sua tesi non significa che la teoria di Mills sia sbagliata: è semplicemente altamente impopolare all’interno di vasti segmenti dell’attuale comunità fisica.
Dobbiamo aspettare che il resto del mondo raggiunga le prove che Mills ha accumulato nel corso dei decenni, il che dimostra in modo conclusivo che il suo modello è più probabilmente corretto piuttosto che il contrario. Come disse una volta il filosofo tedesco del 19° secolo Arthur Schopenhauer: “Tutta la verità passa attraverso tre fasi: in primo luogo, è ridicolizzata. In secondo luogo, si oppone violentemente. In terzo luogo, è accettato come ovvio“.
il nuovo modello di Mills per il comportamento degli elettroni (e dei fotoni) lo portò a rendersi conto che dovrebbe esistere anche un potenziale nuovo stato dell’idrogeno, non ancora scoperto dalla chimica e dalla fisica moderne (sebbene esistano indizi allettanti e altrimenti inspiegabili sia in chimica che in fisica, che Mills risolve ordinatamente), in cui l’idrogeno molecolare (H2) può esistere con i suoi elettroni più strettamente legati ai nuclei che circondano di quanto previsto dalla fisica convenzionale.
Mills predisse l’esistenza di questo stato di idrogeno dai primi principi del GUT-CP (Grande Teoria Unificata della Fisica Classica); Poi ha trascorso i decenni successivi a trovare il modo di crearlo prima in laboratorio e infine dimostrare la sua esistenza attraverso una varietà di metodi. Ha anche elaborato metodi, incorporati in un software speciale, per prevedere con precisione le forme molecolari dalla stessa matematica sottostante: angoli di legame, lunghezze di legame ed energie. Il volume II del suo libro è pieno di esempi. Alla fine, si è reso conto che è possibile sfruttare questa nuova forma di idrogeno creando energia pulita utilizzabile dalla sua formazione.
Nel processo di conversione di H2 in questa nuova forma, una variante della quale è soprannominata H21/4, viene rilasciata un’enorme quantità di calore e di energia EUV (luce ultravioletta estrema), molto maggiore di quella che può essere ottenuta attraverso la normale combustione dell’idrogeno (non tanto quanto attraverso la fusione, ma l’attrezzatura necessaria è molto più semplice e meno costosa).
A volte forma anche un “plasma freddo”, inspiegabile sotto la chimica e la fisica attuali dato l’insieme di reagenti, pressioni, temperature ed energie di input.
Un test al plasma che coinvolge la produzione di idrini
Il prodotto risultante, H21/4, che Mills soprannominò “idrino”, è una piccola molecola avente un diametro simile all’elio molecolare; Il suo comportamento nella diffusione attraverso l’atmosfera è quindi simile (sfugge nello spazio, come fa l’elio).
È altamente stabile e non reattivo, non accetta né emette fotoni mentre si trova in questo stato; In linea di principio, può essere utilizzato in applicazioni industriali al posto dell’elio, che è relativamente raro e sta diventando più difficile da estrarre.
I critici dicono che “idrino” non esiste; I numerosi risultati di laboratorio di Mills, utilizzando un intero spettro di tecniche, suggeriscono il contrario. Il problema nella scienza è questo: se non accetti la spiegazione data, ma ti trovi di fronte a dati chiari e fenomeni fisici indiscutibili, allora spetta a te produrre una spiegazione alternativa che si adatti alle osservazioni. Nessuno è ancora in grado di farlo.
Mills ha fatto un ulteriore passo avanti, il che ha dato più carburante ai suoi critici. Misurando attentamente la luce ultravioletta estrema (EUV) prodotta durante la formazione dell’idrino, abbinandola alle osservazioni altrimenti inspiegabili fatte dagli astrofisici e ragionando sulla non reattività di H21/4, Mills si rese conto che questo stato di idrogeno ha tutte le impronte digitali della cosiddetta materia oscura.
Non è reattivo, non emette luce una volta in questo stato, e ha una massa che si adatta alle osservazioni cosmologiche degli effetti gravitazionali della materia oscura. Questa è una conclusione sorprendentemente elegante: piuttosto che postulare qualche misteriosa particella esotica come charginos, sleptoni o neutralini (cosa che il Modello Standard della Meccanica Quantistica non è riuscito a fare, e che nessun esperimento fino ad oggi è stato in grado di trovare) Mills concluse che la materia oscura è semplicemente idrogeno, anche se in questo stato speciale: non solo l’idrogeno è quindi la sostanza più abbondante nel visibile Universo “acceso”, è anche la sostanza che costituisce la maggior parte della materia nell’Universo “non illuminato”, o oscuro.
Idrogeno, nella H21/4 o stato idrino (o una delle sue varianti). è Materia Oscura.
Ciò che il Dr. Mills ha ora dimostrato è che è effettivamente possibile creare e misurare questo nuovo stato di idrogeno; ed è anche possibile, attraverso una varietà di metodi, catturare l’energia rilasciata durante la formazione di H21/4 e usarlo per generare energia. Nel corso degli anni, ha studiato il fotovoltaico (utilizzando speciali pannelli solari che sono sintonizzati per lo spettro EUV); magnetoidrodinamica; e anche la generazione convenzionale di vapore/turbina utilizzando il calore dell’H21/4 reazione per vaporizzare l’acqua.
Anche se quest’ultimo metodo non è il più efficiente, produce vapore molto a buon mercato e la tecnologia per convertirlo in elettricità è ben compresa e in uso in tutto il mondo. Non ci sono radiazioni, rifiuti pericolosi, gas serra prodotti; e il sistema può contare, in linea di principio, interamente sull’acqua come fonte di idrogeno (proprio come nel caso dell’elettrolisi e delle celle PEM).
Poiché la Terra ha acqua abbondante, come gli altri pianeti e comete, c’è una fornitura quasi illimitata di “carburante”, che la reazione idrino usa comunque con parsimonia. Di tutti i “combustibili” a cui possiamo pensare, l’idrogeno è il più abbondante.
Secondo le stime di Mills, i vantaggi economici di un’infrastruttura di generazione di energia alimentata da idrino sono enormi. Il costo di capitale stimato è una frazione di quello richiesto per la moderna generazione convenzionale di centrali elettriche, su base Megawatt; Molto meno, inoltre, di qualsiasi sistema di energia “rinnovabile” alimentato da energia solare o eolica, che soffrono di intermittenza nella produzione di energia. (Ironia della sorte, ho appena guidato davanti ai massicci parchi di turbine eoliche che rovinano il paesaggio di Tehachapi in California, metà dei quali erano fermi.)
Inoltre, la densità energetica di un sistema che genera energia elettrica dall’idrino – e il fatto che possa funzionare continuamente, a differenza dei generatori solari o eolici – è tale che un sistema energetico basato sull’idrino può eliminare la necessità della “rete”: la produzione di energia può essere spostata nel “punto di utilizzo”, non c’è più bisogno di sistemi di generazione centrale o di distribuzione massiva (che rappresentano comunque un rischio di guasto, a causa di attacchi EMP o eventi di espulsione di massa coronale simili a Carrington dal sole) e l’unico materiale di consumo necessario è una piccola scorta di acqua da cui viene estratto l’idrogeno.
Mills ha lavorato duramente per decenni per raggiungere un punto di capacità di produzione commerciale, e il suo ultimo lavoro sulla produzione di vapore potrebbe finalmente essere il punto corretto di ingresso iniziale sul mercato. Maggiori efficienze future possono eventualmente essere realizzate dalla conversione fotovoltaica di EUV o dalla magnetoidrodinamica, quando la tecnologia necessaria raggiungerà, ma c’è un’enorme quantità di conoscenze e infrastrutture esistenti per la gestione delle applicazioni delle turbine a vapore; E c’è anche un enorme mercato mondiale per la generazione di calore, che può anche essere soddisfatto molto rapidamente con un sistema di generazione di vapore a base di idrogeno.
Mentre Mills avanza, il mondo alla fine dovrà accettare che, comunque si scelga di spiegarlo (usando GUT-CP come quadro teorico, o meno) ha sviluppato un metodo per generare abbondanti quantità di energia nel modo più pulito possibile, senza emissioni pericolose o prodotti di scarto, usando solo idrogeno estratto dall’acqua come materiale di consumo.
