Energia solare
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Di Pietro Planezio
Se nel centro della stella è presente un po' di Carbonio e la temperatura è un po' superiore, può verificarsi un altro tipo di reazione. Discorso se vogliamo inutile, in quanto, per essere la temperatura al centro un po' superiore, la stella deve essere un bel po' più massiccia (pesante) del Sole. Se è più massiccia, è senz'altro anche più giovane (più le stelle sono massicce, meno campano) ed essendo quindi di una generazione successiva, il Carbonio lo contiene di sicuro. In una situazione di questo genere, in tempi successivi quattro nuclei di idrogeno (protoni) colpiscono questo nucleo di Carbonio 12. Ne vengono assorbiti con una sequenza di eventi, magari abbastanza noiosi, (ne parleremo) trasformandolo prima in Azoto e poi in Ossigeno, ma in una condizione di estrema instabilità, per cui questo Ossigeno16 sopravvive una volta su un milione, e le altre 999.999 espelle un nucleo di elio e si ritrasforma in Carbonio 12, tornando alla situazione iniziale. In questo caso i quattro protoni si sono "dati appuntamento" dentro il nucleo di carbonio, dove sono arrivati uno alla volta, come al bar, e quando si son trovati tutti assieme sono usciti, lasciando il bar come lo avevano trovato! Una volta su un milione, come visto, comprano il bar e lo trasformano in un'altra cosa!
Ora, questa reazione (detta ciclo C-N-O od anche Ciclo del Carbonio), come quella descritta in precedenza (detta protone-protone) è sensibile alla temperatura, ma in maniera di gran lunga più elevata. L'altra aumenta la produzione di energia in maniera grossomodo proporzionale alla quarta potenza della temperatura, e quindi riesce in qualche maniera a restare in equilibrio "radiativo" con l'ambiente che la circonda. Questa aumenta in proporzione addirittura spropositata, quindi non si può raggiungere lo stesso tipo di equilibrio nel centro della stella che viene continuamente rimescolata da moti convettivi.
Comunque, con una reazione o con l'altra, al centro della stella l'idrogeno viene lentamente trasformato in Elio. Con sviluppo di una immensa quantità di calore, che passo passo emerge verso la superficie dell'astro, bilanciando la forza di gravità che tenderebbe a farlo contrarre su se stesso. Ora si potrebbe fare una breve digressione: al primo impatto con queste cose, ci si immagina il centro del nostro Sole come una gigantesca "Bomba H" che si agita tumultuosamente, tenuta a freno dall'enorme massa che la sovrasta, in cui la produzione di energia sia sfrenata. E che se potessimo riprodurla qui, con le opportune precauzioni, avremmo energia in grandi quantità a ritmi forsennati. Quindi val la pena di cercare di capire esattamente come sia la situazione al centro della nostra stella.
Allora: certo la temperatura è molto superiore ai 10 milioni gradi. Però quel che determina i movimenti turbolenti non è la temperatura, ma la differenza di temperatura, quello che tecnicamente si chiama gradiente termico. Ora nel centro del sole, data l'opacità del gas supercompresso e completamente ionizzato, per avere la differenza di temperatura di un solo grado abbiamo bisogno di diverse decine di metri! Quindi il calore fluisce dal centro alla periferia con grande lentezza, molto più lentamente che attraverso un muro di cemento, praticamente senza turbare minimamente la tranquillità del centro del Sole! Ed anche il ritmo al quale l'energia viene prodotta è, dal punto di vista umano, assolutamente insignificante: sembra strano da dire, ma una tonnellata di idrogeno alla temperatura di oltre dieci milioni di gradi, alla pressione di decine di miliardi di atmosfere, con una densità diverse volte superiore a quella del piombo, produce più o meno tanta energia quanto una modesta stufetta elettrica! La forza di questo generatore di energia sta non nel ritmo al quale produce, ma nella sua durata! Questa stufetta da cucina resta accesa per dieci miliardi di anni! La bolletta sarebbe dell'ordine delle migliaia di miliardi di Euro (+ IVA). Attenzione, prima di stupirci, facciamo mente locale: Il grano, per fermentazione credo, produce una quantità minima di calore. Un sacco di grano può stare benissimo in piedi appoggiato ad un muro, e non succede niente: il pochissimo calore sviluppato deve superare pochi centimetri, e viene disperso all'esterno. Ma un silos pieno di grano no! Il pur pochissimo calore sviluppato, se non trova sbocco verso l'esterno, si accumula nel centro del carico, lentamente aumenta la temperatura, fino a dar fuoco al tutto! Per evitare questo fatto bisogna continuamente insufflare aria all'interno del grano stivato., in modo da portare via questo calore e non farlo accumulare. Perché un ostacolo di pochi metri di granaglie è già una barriera difficile per il calore. Dal centro alla periferia del Sole ci sono qualcosa come mezzo milione di chilometri di materia. Per superarlo, per bassa che sia la "pendenza", bisogna partire da milioni di gradi. E così possiamo renderci conto del perché il Sole sia così caldo al centro.
Altro ragionamento da fare, che agli addetti ai lavori sembra banale: se una certa quantità di energia viene prodotta per ogni chilo di materiale, succederà che la quantità totale sarà proporzionale al peso e quindi al cubo del raggio. La superficie attraverso cui viene disperso nello spazio circostante è proporzionale alla superficie esterna, cioè al quadrato del raggio. Quindi un oggetto col raggio 10 volte un altro, avrà un volume mille volte maggiore, ed una superficie esterna cento volte maggiore. Ogni metro quadrato di superficie esterna dovrà perciò smaltire dieci volte più calore, e per farlo dovrà avere una temperatura più alta (quasi il doppio). Un oggetto grande come il Sole, anche se produce pochissimi watt per ogni chilo di materia, per irraggiare questa immensa quantità di energia attraverso una superficie esterna in proporzione così piccola, dovrà raggiungere temperature superficiali di migliaia di gradi. Ed ecco perché il Sole è così caldo in superficie.