Plasma Power

Gli oggetti quotidiani possono essere classificati in solidi, liquidi e gas. Tuttavia, la materia in un fulmine, una fiamma e l’Aurora Boreale sono qualcosa di molto diverso. Ognuno di questi è un plasma, un gas ionizzato. In un plasma gli elettroni vengono strappati dagli atomi per produrre ioni che si muovono liberamente. Poiché gli ioni e gli elettroni sono carichi, rispondono a forze elettriche e magnetiche e interagiscono tra loro anche attraverso queste forze.

Al di là della Terra, i plasmi sono certamente abbondanti. Circa il 99% dell’universo visibile è plasma, compresa la maggior parte della materia nelle stelle e la regione di spazio intorno alla Terra. Questo plasma vicino alla Terra è controllato dal campo magnetico terrestre, o magnetosfera, Questo scudo magnetico è particolarmente importante perché aiuta a isolare la Terra dal vento solare, il flusso di protoni ed elettroni che scorre nello spazio dal sole.

L’interno di una stella è un plasma estremamente caldo e denso. I nuclei di idrogeno in questo plasma alimentano i processi di fusione stellare che forniscono l’energia della stella. Sfruttare questo stesso processo qui sulla Terra soddisferebbe il nostro fabbisogno energetico all’infinito. Le materie prime, due isotopi di idrogeno, sono facilmente disponibili, e il sottoprodotto, l’elio, è un gas inerte. La grande sfida è sostenere qui sulla Terra le alte temperature che si trovano al centro delle stelle. Non ci siamo ancora arrivati, ma i ricercatori della fusione hanno fatto progressi costanti negli ultimi decenni.

Plasma Power: Fusion Power

Quando le richieste di energia delle società industrializzate aumentano, e i limiti e i rischi delle fonti di energia convenzionali diventano chiari, l’energia di fusione è un’alternativa sempre più attraente. Eppure, dopo quattro decenni di ricerca, un reattore a fusione funzionante è ancora lontano almeno decenni.

La fusione è difficile da sostenere in laboratorio. Poiché i nuclei di idrogeno sono particelle cariche, sperimentano una forte repulsione elettrostatica, che aumenta rapidamente quando i nuclei si avvicinano tra loro. Affinché la fusione avvenga, i nuclei devono colpirsi l’un l’altro ad alta velocità, il che richiede una temperatura di 100 milioni di gradi. A questa temperatura, qualsiasi contatto con il contenitore lo vaporizzerebbe, quindi i nuclei, che sono parte di un plasma, devono essere in qualche modo confinati.

Un approccio è quello di applicare forti campi magnetici per mantenere le particelle cariche del plasma fuori dalle pareti del contenitore. I contenitori più comuni sono a forma di ciambella per dare spazio alle particelle di plasma, elettroni e nuclei di idrogeno, di circolare. Una corrente elettrica indotta nel plasma crea un campo magnetico che aiuta a confinare il plasma.

Plasma Power: Macchine al plasma

La prima foto mostra il Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), un grande dispositivo di fusione utilizzato al Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) durante gli anni ’80 e ’90. L’interno del TFTR aveva la forma di una ciambella (un toro). Muovendosi in un percorso circolare intorno al centro del toro, il plasma raggiungeva temperature di più di 500 milioni di gradi, ben oltre i 100 milioni necessari per la fusione pratica. Idealmente, i reattori a fusione commerciali funzionano continuamente, ma TFTR è stato progettato per funzionare solo a scoppi. In una di queste esplosioni, la sua potenza ha superato i 10 milioni di watt, abbastanza per alimentare più di 3.000 case.

Foto per gentile concessione del Princeton Plasma Physics Laboratory

Con il programma di ricerca del TFTR completato, i fisici e gli ingegneri del PPPL hanno costruito un dispositivo più piccolo, quasi sferico, il National Spherical Torus Experiment, (NSTX), mostrato nella seconda foto. I teorici credono che la geometria del toro sferico faciliterà il confinamento del plasma e alla fine fornirà un metodo più efficiente per sostenere le reazioni di fusione.

Foto per gentile concessione del Princeton Plasma Physics Laboratory

Links

Princeton Plasma Physics Laboratory

• Interactive Plasma Physics Experience (IPPEX)
• Base della fusione
• Cartina della fusione
• Risorse della fusione per studenti e insegnanti

Plasmi International

• Immagini di plasmi

NASA

• L’esplorazione della magnetosfera terrestre

Atmosfera solare vista dal telescopio a immagini nell’ultravioletto estremo