(30Science.com) – Roma, 9 set. – È stato un momento di lavoro di tre anni, basato su un intenso lavoro di ricerca e progettazione: il 5 settembre, per la prima volta, un grande elettromagnete superconduttore ad alta temperatura è stato portato a un’intensità di campo di 20 tesla , il più potente campo magnetico del suo genere mai creato sulla Terra. Questa dimostrazione di successo aiuta a risolvere la più grande incertezza nella ricerca per costruire la prima centrale elettrica a fusione al mondo in grado di produrre più energia di quanta ne consuma, secondo i leader del progetto al MIT e alla startup Commonwealth Fusion Systems (CFS), di cui ENI è principale azionista dal 2018.
Team che lavora sul magnete all’interno del banco di prova ospitato al MIT. La ricerca, la costruzione e il collaudo di questo magnete è stata l’attività più grande per il team SPARC, che è cresciuto fino a includere 270 membri. Credit: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021.
Questo progresso apre la strada, dicono, alla creazione a lungo cercata di centrali elettriche pratiche, poco costose e prive di carbonio che potrebbero dare un contributo importante alla limitazione degli effetti del cambiamento climatico globale.
“La fusione in molti modi è l’ultima fonte di energia pulita“, afferma Maria Zuber, vicepresidente per la ricerca del MIT e professore di geofisica EA Griswold. “La quantità di potenza disponibile è davvero rivoluzionaria.” Il carburante utilizzato per creare l’energia da fusione proviene dall’acqua e “la Terra è piena d’acqua: è una risorsa quasi illimitata. Dobbiamo solo capire come utilizzarlo”.
Lo sviluppo del nuovo magnete è visto come il più grande ostacolo tecnologico per far sì che ciò accada; la sua riuscita operazione ora apre le porte alla dimostrazione della fusione in un laboratorio sulla Terra, che è stata perseguita per decenni con progressi limitati. Con la tecnologia dei magneti ora dimostrata con successo, la collaborazione MIT-CFS è sulla buona strada per costruire il primo dispositivo di fusione al mondo in grado di creare e confinare un plasma che produce più energia di quanta ne consumi. Quel dispositivo dimostrativo, chiamato SPARC, dovrebbe essere completato nel 2025.
Anche in ENI c’è grande aspettativa per lo sviluppo della tecnologia proprietaria e della piattaforma Usa, nel quale il gruppo di San Donato è intenzionato a mantenere un ruolo rilevante anche nei prossimi step di crescita del progetto.
“Lo sviluppo di tecnologie innovative è uno dei pilastri su cui poggia la strategia di ENI volta al completo abbattimento delle emissioni di processi industriali e prodotti, nonché la chiave per una transizione energetica equa e di successo“, spiega l’amministratore delegato, Claudio Descalzi. “Per ENI la fusione a confinamento magnetico occupa un ruolo centrale nella ricerca tecnologica finalizzata al percorso di decarbonizzazione, in quanto potrà consentire di disporre di grandi quantità di energia prodotta in modo sicuro, pulito e virtualmente inesauribile e senza emissione di gas serra, cambiando il paradigma della generazione di energia. Il risultato ottenuto durante il test dimostra l’importanza strategica delle nostre partnership di ricerca e consolida il nostro contributo allo sviluppo di tecnologie game changer“.
“Le sfide per realizzare la fusione sono sia tecniche che scientifiche“, afferma Dennis Whyte, direttore del Plasma Science and Fusion Center del MIT , che sta lavorando con CFS per sviluppare SPARC. Ma una volta che la tecnologia è stata provata, afferma, “è una fonte di energia inesauribile e priva di carbonio che puoi utilizzare ovunque e in qualsiasi momento. È davvero una fonte di energia fondamentalmente nuova”. Whyte, che è il professore di ingegneria di Hitachi America, afferma che la dimostrazione di questa settimana rappresenta un’importante pietra miliare, affrontando le maggiori domande rimaste sulla fattibilità del progetto SPARC. “È davvero un momento spartiacque, credo, nella scienza e nella tecnologia della fusione“, afferma.
Il sole in bottiglia
La fusione è il processo che alimenta il sole: la fusione di due piccoli atomi per farne uno più grande, liberando quantità prodigiose di energia. Ma il processo richiede temperature ben oltre quelle che qualsiasi materiale solido potrebbe sopportare. Per catturare la fonte di energia del sole qui sulla Terra, ciò che serve è un modo per catturare e contenere qualcosa di così caldo – 100.000.000 di gradi o più – sospendendolo in un modo che gli impedisca di entrare in contatto con qualcosa di solido.
Ciò avviene attraverso intensi campi magnetici, che formano una sorta di bottiglia invisibile per contenere la calda zuppa vorticosa di protoni ed elettroni, chiamata plasma. Poiché le particelle hanno una carica elettrica, sono fortemente controllate dai campi magnetici e la configurazione più utilizzata per contenerle è un dispositivo a forma di ciambella, chiamato tokamak. La maggior parte di questi dispositivi ha prodotto i propri campi magnetici utilizzando elettromagneti convenzionali in rame, ma l’ultima e più grande versione in costruzione in Francia, chiamata ITER, utilizza i cosiddetti superconduttori a bassa temperatura.
La principale innovazione nel progetto di fusione MIT-CFS è l’uso di superconduttori ad alta temperatura, che consentono un campo magnetico molto più forte in uno spazio più piccolo. Questo progetto è stato reso possibile da un nuovo tipo di materiale superconduttore che è diventato disponibile in commercio alcuni anni fa. L’idea è nata inizialmente come un progetto di classe in un corso di ingegneria nucleare tenuto da Whyte. L’idea sembrava così promettente che ha continuato a essere sviluppata nelle successive iterazioni di quella classe, portando al concetto di progettazione della centrale elettrica ARC all’inizio del 2015. SPARC, progettato per essere circa la metà delle dimensioni di ARC, è un banco di prova per dimostrare la concetto prima della costruzione dell’impianto di produzione di energia a grandezza naturale.
Fino ad ora, l’unico modo per ottenere i campi magnetici colossalmente potenti necessari per creare una “bottiglia” magnetica in grado di contenere plasma riscaldato fino a centinaia di milioni di gradi era renderli sempre più grandi. Ma il nuovo materiale superconduttore ad alta temperatura, realizzato sotto forma di un nastro piatto simile a un nastro, consente di ottenere un campo magnetico più elevato in un dispositivo più piccolo, pari alle prestazioni che si otterrebbero in un apparato 40 volte più grande in volume utilizzando magneti superconduttori convenzionali a bassa temperatura. Quel salto di potenza rispetto alle dimensioni è l’elemento chiave del design rivoluzionario di ARC.
Una serie di articoli scientifici pubblicati lo scorso anno hanno delineato le basi fisiche e, mediante simulazione, hanno confermato la fattibilità del nuovo dispositivo di fusione. I documenti hanno mostrato che, se i magneti funzionassero come previsto, l’intero sistema di fusione dovrebbe effettivamente produrre potenza netta, per la prima volta in decenni di ricerca sulla fusione.
Martin Greenwald, vicedirettore e ricercatore senior presso il PSFC, afferma che a differenza di altri progetti per esperimenti di fusione, “la nicchia che stavamo riempiendo era quella di utilizzare la fisica del plasma convenzionale e i progetti e l’ingegneria convenzionali del tokamak, ma portarci questo nuovo magnete tecnologia. Quindi, non avevamo bisogno di innovazione in una mezza dozzina di aree diverse. Vorremmo semplicemente innovare sul magnete e quindi applicare la base di conoscenza di ciò che è stato appreso negli ultimi decenni“.
Quella combinazione di principi di progettazione scientificamente stabiliti e forza del campo magnetico rivoluzionaria è ciò che rende possibile realizzare un impianto che potrebbe essere economicamente sostenibile e sviluppato in modo rapido. “È un grande momento“, afferma Bob Mumgaard, CEO di CFS. “Ora abbiamo una piattaforma che è sia scientificamente molto avanzata, grazie ai decenni di ricerca su queste macchine, sia anche commercialmente molto interessante. Ciò che fa è permetterci di costruire dispositivi più veloci, più piccoli e a costi inferiori“, afferma della riuscita dimostrazione del magnete.
Prova del concetto
Portare quel nuovo concetto di magnete alla realtà ha richiesto tre anni di intenso lavoro sulla progettazione, la creazione di catene di approvvigionamento e l’elaborazione di metodi di produzione per i magneti che alla fine potrebbero dover essere prodotti a migliaia.
“Abbiamo costruito un magnete superconduttore unico nel suo genere. È stato necessario molto lavoro per creare processi e attrezzature di produzione unici. Di conseguenza, ora siamo ben preparati per avviare la produzione SPARC“, afferma Joy Dunn, responsabile delle operazioni di CFS. “Abbiamo iniziato con un modello fisico e un progetto CAD, e abbiamo lavorato su molti sviluppi e prototipi per trasformare un progetto su carta in questo vero magnete fisico“. Ciò ha comportato la costruzione di capacità di produzione e strutture di test, incluso un processo iterativo con più fornitori del nastro superconduttore, per aiutarli a raggiungere la capacità di produrre materiale che soddisfacesse le specifiche necessarie e per il quale CFS è ora in modo schiacciante il più grande utente al mondo.
Hanno lavorato con due possibili progetti di magneti in parallelo, entrambi i quali hanno finito per soddisfare i requisiti di progettazione, dice. “Si trattava davvero di quale avrebbe rivoluzionato il modo in cui produciamo magneti superconduttori e quale fosse più facile da costruire“. Il design che hanno adottato si è distinto chiaramente in questo senso, dice.
In questo test, il nuovo magnete è stato gradualmente alimentato in una serie di passaggi fino a raggiungere l’obiettivo di un campo magnetico di 20 tesla, la più alta intensità di campo mai raggiunta da un magnete a fusione superconduttore ad alta temperatura. Il magnete è composto da 16 piastre impilate insieme, ognuna delle quali da sola sarebbe il magnete superconduttore ad alta temperatura più potente al mondo.
“Tre anni fa abbiamo annunciato un piano“, afferma Mumgaard, “per costruire un magnete da 20 tesla, che è ciò di cui avremo bisogno per le future macchine a fusione“. Questo obiettivo è stato raggiunto, nei tempi previsti, anche con la pandemia, afferma.
Citando la serie di articoli di fisica pubblicati l’anno scorso, Brandon Sorbom, direttore scientifico di CFS, afferma che “in pratica i documenti concludono che se costruiamo il magnete, tutta la fisica funzionerà in SPARC. Quindi, questa dimostrazione risponde alla domanda: possono costruire il magnete? È un momento molto emozionante! È un grande traguardo“.
Il prossimo passo sarà la costruzione di SPARC, una versione su scala ridotta della prevista centrale elettrica ARC. Il successo dell’operazione di SPARC dimostrerà che una centrale elettrica a fusione commerciale su vasta scala è pratica, aprendo la strada a una rapida progettazione e costruzione di quel dispositivo pionieristico che può quindi procedere a tutta velocità.
Zuber afferma che “Ora sono sinceramente ottimista sul fatto che SPARC possa ottenere energia netta positiva, in base alle prestazioni dimostrate dei magneti. Il passo successivo è quello di ingrandirsi, per costruire una vera centrale elettrica. Ci sono ancora molte sfide da affrontare, non ultima quella di sviluppare un design che consenta un funzionamento affidabile e duraturo. E rendendosi conto che l’obiettivo qui è la commercializzazione, un’altra grande sfida sarà economica. Come si progettano queste centrali elettriche in modo che sia conveniente costruirle e distribuirle?”
Un giorno in un futuro sperato, quando potrebbero esserci migliaia di impianti di fusione che alimentano reti elettriche pulite in tutto il mondo, Zuber dice: “Penso che guarderemo indietro e penseremo a come ci siamo arrivati, e penso che la dimostrazione della tecnologia dei magneti, per me, è stato il momento in cui ho creduto che, wow, possiamo davvero farlo“.
La creazione di successo di un dispositivo di fusione per la produzione di energia sarebbe un enorme risultato scientifico, osserva Zuber. Ma non è questo il punto principale. “Nessuno di noi sta cercando di vincere trofei a questo punto. Stiamo cercando di mantenere il pianeta vivibile“. (30Science.com)
