Esistono fonti di energia anche nello spazio profondo? Sì, sono i buchi neri (almeno in teoria)

Ci sono ambiti in cui è difficile tracciare una linea netta che possa dividere scienza e fantascienza, come ad esempio l'astronomia (sia dal punto di vista delle osservazioni dei corpi celesti, sia delle missioni spaziali), dove si può affermare che non solo spesso l'immaginazione umana abbia anticipato le scoperte e le conclusioni attestate, dopo rigorosi calcoli ed esperimenti, dagli accademici, ma in alcuni casi è stata fonte di ispirazione per alcuni dei dispositivi che oggi vengono utilizzati nello spazio.

La tecnica dell'origami, ad esempio, che secondo alcune fonti venne creata nel 610 d.C. in Giappone da un monaco buddhista per omaggiare l'imperatore, oggi è stata utilizzata dalla Caltech per mandare nello spazio DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment).

Una volta dispiegata, questa struttura (che misura circa 183x183 cm) ha creato la prima centrale elettrica spaziale, attualmente in fase di sperimentazione. Di seguito, gli articoli che abbiamo dedicato al progetto di Caltech:

- Un Sole che non tramonta mai: ecco i pannelli solari spaziali per produrre energia elettrica non stop;

- Caltech ha lanciato il suo SSP in orbita: la sperimentazione per produrre energia direttamente nello Spazio è ufficialmente iniziata;

- Caltech ce l'ha fatta! La sua trasmissione wireless dell'energia elettrica funziona;

Che nello spazio possano esserci altri fonti di energia (oltre a quella di origine stellare),e che in particolare i buchi neri possano essere sfruttati in questo senso, è un "pallino" che gli scienziati hanno da diversi decenni, da quando Einstein formulò la teoria della relatività; uno studio della Columbia University (New York) del 2021 ha dato nuovo slancio a questa possibilità, ipotizzando che l'energia potrebbe effettivamente essere estratta dai buchi neri attraverso la "riconnessione delle linee del campo magnetico".

Questa ipotesi affonda le radici nei lavori, studi e ricerche, svolti finora da parte di diversi accademici, a partire dal matematico e fisico britannico Roger Penrose, che teorizzò che la disintegrazione delle particelle potesse trarre energia da un buco nero. Successivamente Stephen Hawking propose che i buchi neri potessero rilasciare energia attraverso l'emissione meccanica quantistica, mentre Roger Blandford e Roman Znajek suggerirono la coppia elettromagnetica come principale agente di estrazione dell'energia.

I fisici Luca Comisso della Columbia University e Felipe Asenjo della cilena Universidad Adolfo Ibáñez hanno trovato (in teoria) un nuovo modo per estrarre energia dai buchi neri, rompendo e ricongiungendo le linee del campo magnetico vicino "all'orizzonte degli eventi", ovvero il punto da cui nulla, nemmeno la luce, può sfuggire all'attrazione gravitazionale del buco nero.

Qui un'animazione creata dalla NASA che illustra "l'anatomia" di un buco nero.

Lo studio dei due accademici, finanziato dal progetto "Windows on the Universe" della National Science Foundation, dalla NASA e dal Fondo nazionale per lo sviluppo scientifico e tecnologico del Cile, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review D, col titolo "Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes".

"I buchi neri sono comunemente circondati da una 'zuppa' calda di particelle di plasma che trasportano un campo magnetico", ha affermato Luca Comisso, ricercatore presso la Columbia University e primo autore dello studio. "La nostra teoria mostra che quando le linee del campo magnetico si disconnettono e si riconnettono, nel modo giusto, possono accelerare le particelle di plasma verso energie negative e grandi quantità di energia del buco nero possono essere estratte".

Se questa intuizione si rivelasse corretta e realizzabile, gli astronomi sarebbero in grado di stimare meglio la rotazione dei buchi neri, di guidare le emissioni di energia dei buchi neri e, soprattutto, Comisso e Asenjo avrebbero scoperto una fonte di energia idealmente inesauribile.

Per capire esattamente su cosa si basa l'ipotesi dei due universitari, Comisso ha utilizzato questa immagine:

"Supponiamo che sia possibile perdere peso mangiando caramelle con calorie negative; nella nostra realtà un'eventualità simile è irrealizzabile, ma in una regione chiama ergosfera [ovvero dove la riconnessione magnetica è così estrema che le particelle del plasma vengono accelerate a velocità prossime a quella della luce] il continuum spaziotemporale ruota così velocemente che ogni oggetto ruota nella stessa direzione del buco nero, portando quest'ultimo (che nel nostro esempio è la persona che vuole perdere peso) a perdere energia (ovvero calorie) 'mangiando' particelle di energia negativa (le calorie negative citate prima)".

Da qui, Comisso e Asenjo hanno costruito la loro teoria sulla premessa che la riconnessione dei campi magnetici andrebbe ad accelerare le particelle di plasma in due direzioni opposte: mentre cioè un flusso di plasma viene spinto contro la rotazione del buco nero, l'altro viene spinto nella direzione della rotazione, sfuggendo alla gravità del black hole, che andrebbe di conseguenza a rilasciare energia, a patto che il plasma inghiottito sia caricato negativamente.

Asenjo, professore di fisica presso l'Università Adolfo Ibáñez, ha spiegato che è l'elevata velocità relativa tra i flussi di plasma catturati e quelli in fuga ciò che consente al processo ipotizzato di funzionare, estraendo enormi quantità di energia dal buco nero.

"Abbiamo calcolato che il processo di energizzazione del plasma potrebbe raggiungere un'efficienza del 150%, molto più alta di qualsiasi centrale elettrica operante sulla Terra", ha commentato Asenjo. "Raggiungere un'efficienza superiore al 100% è possibile perché i buchi neri perdono energia, che viene ceduta gratuitamente al plasma che fuoriesce da essi".

I due accademici sostengono che la validità della loro teoria sia in effetti già stata provata dagli stessi buchi neri, perché sarebbe la ragione dei loro brillamenti, ovvero potenti esplosioni di radiazioni, rilevabili anche dalla Terra.

La comunità scientifica, per quanto affascinata dalle intuizioni dei due accademici, mantiene (giustamente) un atteggiamento tiepido nei confronti della teoria, almeno fintano che non verrà confermata.

"Le idee e i concetti discussi in questo lavoro sono davvero affascinanti", ha affermato Vyacheslav Lukin, direttore del programma presso la National Science Foundation "Attendiamo con impazienza la potenziale traduzione di studi apparentemente esoterici sull'astrofisica dei buchi neri nel regno pratico".

Della stessa idea, cioè che i buchi neri possano fornire energia, sono anche Zhan-Feng Mai e Run-Qiu Yang, ricercatori presso il dipartimento di fisica dell'Università di Tianjin (Cina), che hanno pubblicato le loro conclusioni, basate anche sul lavoro di Comisso e Asenjo, su Physical Review D a fine 2023 col titolo "Black holes as rechargeable batteries and nuclear reactors".

Secondo il loro studio, le equazioni matematiche danno ragione a quanto ipotizzato dai due accademici, quindi sì, teoricamente è possibile pensare di sfruttare la forza di gravità di un buco nero per generare energia elettrica… Ma quale buco nero?

I due studiosi cinesi hanno messo "in luce" che esistono diversi tipi di buchi neri (ad oggi le nostre classificazioni ne identificano tre diverse categorie, basate sulla loro massa: supermassicci, a massa intermedia e a massa stellare), nessuno dei quali sembra essere della dimensione corretta per fungere da centrale elettrica.

Oltre a questo, basandoci sui dati concreti che abbiamo attualmente a disposizione, non sappiano nemmeno se esistano black hole adatti a questo utilizzo: idealmente potrebbero essere i buchi neri definiti "primordiali", ma ad oggi non abbiamo evidenze scientifiche della loro esistenza.

I buchi neri primordiali sono oggetti di dimensioni piccole che, proprio in virtù della loro "taglia" contenuta, potrebbero essere "evaporati" nel corso del tempo a causa di un processo quantistico (anche in questo caso ipotizzato) noto come radiazione di Hawking, che li avrebbe consumati.

Tuttavia, buchi neri primordiali di dimensioni più grandi potrebbero ancora essere presenti in qualche angolo dell'Universo, e potrebbero confermare (in parte) i calcoli e le teorie di Comisso e Asenjo.

Secondo Zhan-Feng Mai e Run-Qiu Yang, infatti, il modo "corretto" per utilizzare i buchi neri come fonti di energia sarebbe attraverso un processo di "ricarica" fornendo particelle alfa (che si ottengono per decadimento radioattivo) che verrebbero convertite in positroni, le antiparticelle degli elettroni, dagli stessi black hole.

Nella migliore delle ipotesi questo procedimento permetterebbe di recuperare in forma di energia l'equivalente del 25% della massa delle particelle "date in pasto" al buco nero primordiale.