Volevano purificare l’acqua, hanno ottenuto il combustibile per la fusione nucleare

Un gruppo di ricercatori che lavora sulla purificazione dell’acqua ha inaspettatamente scoperto un metodo innovativo per isolare il litio-6, un isotopo chiave utilizzato nel combustibile per la fusione nucleare. La scoperta potrebbe fornire un’alternativa più sicura e scalabile all’obsoleto e tossico processo COLEX, portando l’energia di fusione a un passo dal diventare una valida fonte di energia pulita.

Isotopi del Litio

Come la purificazione dell’acqua ha portato a una scoperta sulla fusione nucleare

La scoperta accidentale è emersa da un progetto incentrato sul filtraggio dell’“acqua prodotta”, un prodotto di scarto della trivellazione di petrolio e gas. Durante i test, gli scienziati hanno notato che le loro membrane catturavano livelli significativamente alti di litio, nonostante l’acqua contenesse soprattutto sali. Questa anomalia li ha portati a indagare più a fondo.

Hanno scoperto che il materiale di filtrazione – un composto sintetico noto come ossido di zeta-vanadio– stava facendo qualcosa di straordinario: non si limitava a catturare il litio in generale, ma mostrava una selettività per l’isotopo litio-6.

“Abbiamo visto che potevamo estrarre il litio in modo abbastanza selettivo, dato che nell’acqua era presente molto più sale che litio”, ha spiegato Sarbajit Banerjee, autore senior dello studio del Politecnico di Zurigo e della Texas A&M University.

L’eredità tossica della produzione di litio-6

L’energia di fusione promette di essere una fonte di energia pulita e illimitata, ma il suo successo dipende dalla disponibilità di litio-6 per la fusione.

Tradizionalmente, la separazione del litio-6 dal più comune litio-7 richiede il processo COLEX, che utilizza mercurio liquido. Questo metodo è stato vietato negli Stati Uniti nel 1963 a causa dei gravi rischi per l’ambiente e la salute.

Da allora, gli Stati Uniti si sono affidati alle scorte di vecchia data, come quelle conservate presso l’Oak Ridge National Laboratory. Lo sviluppo di una tecnica sicura e moderna per produrre litio-6 è rimasta una sfida importante per il progresso della ricerca sulla fusione.

Divisione del litio con l’ossido di zeta vanadio

Come l’ossido di zeta-vanadio separa gli isotopi del litio?

Il composto ζ-V2O5 utilizzato nello studio contiene gallerie monodimensionali ideali per intrappolare gli ioni di litio.

Per testare il suo potenziale di separazione degli isotopi, i ricercatori hanno allestito una cella elettrochimica con ζ-V2O5 come catodo. Quando veniva applicata la tensione, gli ioni di litio si muovevano verso il materiale. A causa di sottili differenze di massa e di movimento, il litio-6 si è legato più fortemente all’interno dei tunnel rispetto al litio-7.

“Se si pensa ai legami tra_V2O5 e il litio come a una molla, si può immaginare che il litio-7 sia più pesante e abbia maggiori probabilità di rompere quel legame”, ha spiegato il coautore Andrew Ezazi della Texas A&M. Questo comportamento ha permesso al team di isolare il litio-6 in modo efficiente e senza mercurio.

Come ottenere energia dal litio 6

I primi risultati di laboratorio hanno mostrato che un singolo ciclo elettrochimico ha arricchito il litio-6 del 5,7%. Per raggiungere l’arricchimento del 30% necessario per il combustibile da fusione sarebbero necessari circa 25 cicli, mentre la purezza del 90% potrebbe essere raggiunta con 45 cicli – un risultato competitivo rispetto al COLEX, e senza sottoprodotti tossici.

Sebbene sia ancora in fase di ricerca, il team sta ora lavorando alla scalabilità del processo. “Non siamo ancora alla produzione industriale e ci sono alcuni problemi ingegneristici da superare in termini di progettazione del ciclo di flusso, ma in pochi cicli di flusso è possibile ottenere litio di grado di fusione a costi piuttosto bassi”, ha dichiarato Banerjee.

Il Litio 6 può essere utilizzato per ottenere una fusione a-netronica, cioè senza emissione di neutroni, i  cui un atomo di Litio si fonde con un atomo di deuterio per ottere  due atomi di elio ed energia

La fusione di 0,1 g di deuterio ottenibile dall’acqua, e 0,6 grammi di litio6 ottenibili dalla purificazione del litio, produrrebbe l’energia necessaria a una famiglia americana per un anno.

Oltre all’energia di fusione, la tecnologia potrebbe trovare applicazione in altre separazioni di isotopi, anche per uso medico o ambientale. Il team vede l’ossido di zeta-vanadio come una piattaforma versatile con possibilità che vanno ben oltre l’estrazione del litio.

Il lavoro è stato sostenuto da un’ampia collaborazione internazionale che ha coinvolto istituzioni degli Stati Uniti, del Canada, del Qatar e della Svizzera, compresi i finanziamenti della National Science Foundation e del Qatar Research, Development and Innovation Council.