La criofisica, ovvero la fisica delle basse temperature, inizialmente comprendeva tutte le ricerche a temperature inferiori a quella ambiente. Attualmente, si concentra sui fenomeni che avvengono al di sotto del punto di ebollizione dell'elio, cioè −268,94 gradi Celsius (4,2 Kelvin). Tuttavia, include anche fenomeni come la superconduttività, che si manifestano a temperature superiori, estendendo il limite superiore della criofisica fino a 20 °K. Due campi che appartengono decisamente alle basse temperature sono la superfluidità dell'elio liquido e la superconduttività.
Proprietà e Disponibilità dell'Elio
Per studiare le proprietà della natura, è ideale avere a disposizione un "bagno" di un liquido mantenuto a temperatura costante regolando la pressione del vapore. Questo è fattibile per pressioni tra 1 atm e il punto triplo, con intervalli di temperatura adatti per azoto (78 °K-63 °K), idrogeno (20 °K-14 °K) ed elio (4,2 °K-1,0 °K). Il limite inferiore dell'elio è dato dall'impossibilità pratica di ottenere pressioni di vapore più basse.
La disponibilità dell'isotopo elio-3 (3He), raro in natura, ha permesso di scendere fino a 0,3 °K. Comunque, la regione al di sotto di 1 °K richiede tecniche particolari. L'elio si ottiene economicamente come sottoprodotto nell'estrazione del gas naturale. Attualmente, la criofisica consuma meno del 10% della produzione annua di elio, ma questo potrebbe cambiare con l'aumento delle applicazioni della superconduttività.
Liquefazione dell'Elio
Un gas può essere liquefatto mediante compressione isotermica se la temperatura è inferiore alla temperatura critica. Dopo l'isolamento termico, si riduce la pressione sul liquido per abbassare la temperatura. Questo sistema, impiegato a temperature progressivamente più basse (metodo a cascata), portò alla liquefazione di ossigeno e azoto. Questo sistema non può essere adoperato per l'idrogeno e per l'elio perché le loro temperature critiche sono notevolmente più basse di quelle minime ottenibili con altre sostanze.
Il lavoro di J. D. Van der Waals sull'equazione di stato dei gas e dei liquidi con interazione fu essenziale per comprendere la temperatura critica e sviluppare nuovi metodi per la liquefazione dei gas permanenti. Van der Waals scoprì che l'interazione tra le molecole dei gas e dei liquidi consiste in una parte repulsiva a distanze brevi e una parte attrattiva con raggio d'azione più lungo. Al di sopra della temperatura critica, non vi è pressione sufficiente perché l'attrazione superi la repulsione o l'effetto del moto termico, impedendo alle molecole di rimanere unite come in un liquido. L'effetto Joule-Kelvin, che sfrutta le forze di attrazione per compiere lavoro a spese dell'energia interna, viene utilizzato per la liquefazione di idrogeno ed elio.
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Nel 1898, Dewar ottenne la liquefazione dell'idrogeno utilizzando questo metodo. Il 10 luglio 1908, Kamerlingh Onnes produsse elio liquido. L'isolamento termico necessario fu reso possibile dall'invenzione del recipiente Dewar, a doppia parete di vetro con intercapedine vuota e pareti argentate per evitare l'irraggiamento. Un efficiente raffreddamento continuo richiede il preraffreddamento del gas in entrata tramite uno scambiatore di calore.
Dal 1911 al 1923, il laboratorio di Leida fu l'unico luogo al mondo con elio liquido disponibile. Successivamente, furono costruiti laboratori per le basse temperature a Berlino, Oxford, Cambridge, Berkeley, Khar'kov e Mosca. Kapica introdusse il liquefattore con motore a espansione, dove il gas in espansione compie lavoro esterno sui pistoni, riducendo la temperatura. Questo sistema richiede solo il preraffreddamento con azoto liquido. Dopo la seconda guerra mondiale, Collins migliorò la macchina di Kapica, commercializzandola tramite la Arthur D. Little Company di Boston.
Termometria e Basse Temperature
La determinazione della temperatura è fondamentale nella criofisica. Inizialmente, si usavano termometri a gas, basati sulla relazione PV = nRT. Tuttavia, si preferiscono termometri secondari tarati con termometri a gas. La scala delle temperature attorno alla temperatura dell'elio liquido è fissata da tavole di dati sulla pressione del vapore riconosciute internazionalmente. La resistenza dei metalli puri e dei semiconduttori è una grandezza fisica utile per misurare la temperatura. Il platino è usato per termometri a resistenza riproducibili sopra la regione dell'elio. I semiconduttori, con conducibilità dipendente dalla "liberazione" di elettroni tramite moto termico, mostrano una resistenza che tende all'infinito a basse temperature. Resistori a carbonio sono usati nella regione dell'elio, anche se con problemi di riproducibilità. I termometri a germanio offrono maggiore stabilità, sebbene siano più costosi.
La conservazione dell'energia è un principio fondamentale. Un gas che si espande raffredda convertendo calore in lavoro meccanico. Il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo; per farlo, è necessario compiere lavoro. Questo principio è alla base dei metodi di raffreddamento descritti in seguito. L'entropia, legata al disordine, gioca un ruolo cruciale nei processi termici. Un sistema completamente ordinato ha entropia S = 0.
Elio-3 e Fusione Nucleare
L'elio-3 (3He) è un isotopo leggero e non radioattivo dell'elio, composto da due protoni e un neutrone. L'elio-3 potrebbe essere usato come combustibile nei reattori nucleari a fusione, producendo una grande quantità di energia con un rendimento elettrico del 70% senza l'uso di turbine. Questo isotopo è raro sulla Terra, ma si ritiene che sia presente in quantità significative sulla Luna, depositato dal vento solare. Lo sfruttamento minerario della Luna potrebbe quindi fornire una fonte di energia pulita e abbondante.
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La fusione nucleare coinvolge la combinazione di nuclei leggeri per formare nuclei più pesanti, rilasciando energia in accordo con la formula E=mc2. A differenza della fissione nucleare, la fusione con elio-3 non produce scorie radioattive a lunga durata. Tuttavia, il processo richiede temperature elevatissime per superare la repulsione elettrostatica tra i nuclei.
La reazione principale studiata è la fusione deuterio-elio-3 (D-3He), che produce elio-4 e un protone. Anche se la reazione deuterio-deuterio (D-D) è un'alternativa, essa produce neutroni, che possono attivare le strutture del reattore. La disponibilità di elio-3 è il principale fattore limitante per lo sviluppo di questa tecnologia. Attualmente, l'elio-3 viene prodotto in piccole quantità come sottoprodotto nella manutenzione di armi nucleari.
Elio-3 sulla Luna
Si stima che la Luna contenga circa 1 milione di tonnellate di elio-3, depositato dal vento solare. Una tonnellata di elio-3 può produrre 10.000 MW/anno di elettricità, e 25 tonnellate potrebbero soddisfare il fabbisogno energetico degli Stati Uniti. Il valore dell'elio-3 lunare è stimato in 3 milioni di dollari al kg, e il costo energetico equivalente sarebbe di 7 dollari al barile di petrolio.
Questi dati hanno stimolato l'interesse per missioni spaziali finalizzate allo sfruttamento minerario della Luna. Diverse agenzie spaziali, tra cui quelle di Cina e Giappone, hanno programmi in corso per esplorare e valutare le risorse lunari. Lo sfruttamento delle risorse lunari, tuttavia, solleva questioni legali e politiche, in particolare riguardo al Trattato sullo spazio extra-atmosferico del 1967.
| Reazione | Prodotti | Neutroni | Scorie Radioattive | Temperatura Richiesta |
|---|---|---|---|---|
| D-T (Deuterio-Trizio) | 4He + n | Sì | Sì (attivazione delle strutture) | 100 milioni °C |
| D-3He (Deuterio-Elio-3) | 4He + p | No (virtualmente) | Minime | 500 milioni °C |
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