Le due tecnologie quantistiche che stanno per cambiare il mondo

L’orizzonte della transizione energetica e dello sviluppo tecnologico globale è guidato da una convergenza senza precedenti tra la fisica teorica e l'ingegneria applicata.
Due ambiti emergenti in particolare stanno riscrivendo i limiti della nostra capacità di manipolare la materia e l'energia: i superconduttori applicati alla fusione nucleare controllata e la sintesi di nuovi materiali bidimensionali derivati dalla manipolazione molecolare del carbonio.

Per comprendere la portata di queste innovazioni, è necessario fare riferimento ai principi cardine della meccanica quantistica, la branca della fisica che studia il comportamento della materia e della radiazione a livello atomico e subatomico.
Al centro di questa disciplina vi sono i quanta, ovvero le quantità minime e discrete, non ulteriormente divisibili, di una grandezza fisica come l'energia o la carica elettrica.
A differenza della fisica macroscopica, dove i fenomeni variano in modo continuo, nel mondo microscopico l'energia si trasmette e si assorbe solo per pacchetti definiti.

Questa granularità della natura governa il comportamento degli elettroni all'interno dei materiali e spiega l'insorgenza della superconduttività, un fenomeno quantistico macroscopico per cui un materiale azzera completamente la propria resistenza elettrica, permettendo alla corrente di scorrere all'infinito senza alcuna perdita di calore o dissipazione energetica.

Fino a tempi recenti, questo stato fisico poteva essere mantenuto solo a temperature prossime allo zero assoluto, richiedendo costosi e complessi sistemi di refrigerazione criogenica a elio liquido.
La recente transizione verso superconduttori capaci di operare a temperature più accessibili o persino a livello ambientale sotto specifiche configurazioni molecolari, sta abbattendo i vincoli criogenici tradizionali.
L'applicazione più immediata e rivoluzionaria di questa svolta risiede nei reattori a fusione nucleare a confinamento magnetico.
Per riprodurre sulla Terra il meccanismo fisico che alimenta il Sole, infatti, è necessario contenere un plasma di isotopi dell'idrogeno a oltre cento milioni di gradi Celsius. I nuovi superconduttori permettono di generare campi magnetici di intensità estrema con strutture eccezionalmente compatte, consentendo di stabilizzare il plasma e di raggiungere il traguardo commerciale di produrre stabilmente più energia netta di quanta l'impianto ne consumi per funzionare.

Parallelamente, anche la chimica quantistica sta compiendo progressi straordinari nella manipolazione degli allotropi del carbonio, ovvero le diverse forme strutturali in cui lo stesso elemento chimico può organizzarsi nello spazio.
Oltre ai classici reticoli tridimensionali del diamante e della grafite, la ricerca si è concentrata sui materiali bidimensionali, cioè strutture spesse un solo singolo strato atomico.

Il capostipite di questa classe, il grafene, si distingue per proprietà di conducibilità elettrica e resistenza meccanica alla trazione centinaia di volte superiori a quelle dell'acciaio a parità di peso.
Gli sviluppi più recenti vedono la sintesi in laboratorio di varianti avanzate e l'introduzione ingegneristica di micro-difetti controllati nel reticolo esagonale del carbonio per alterarne la struttura elettronica.
Questo processo trasforma un perfetto e inerte foglio bidimensionale in un materiale altamente reattivo, perfetto come semiconduttore avanzato per l'elettronica o come catalizzatore chimico ad altissima efficienza.

Nel prossimo futuro, la sinergia tra questi due filoni tecnologici aprirà scenari rivoluzionari per l'hardware e l'industria aerospaziale.
La disponibilità di materiali bidimensionali super-resistenti e ultraleggeri consentirà la fabbricazione di scocche balistiche avanzate, schermi flessibili e accumulatori di energia elettrochimica radicalmente più densi e duraturi delle attuali batterie al litio.

Al contempo, i magneti superconduttori integrati permetteranno di miniaturizzare i sistemi di diagnostica medica avanzata, di efficientare i trasporti a levitazione magnetica e di gettare le basi strutturali per la rete elettrica del futuro, capace di trasportare l'energia pulita generata dalla fusione nucleare senza alcuna dispersione termica lungo le linee di trasmissione.

Il panorama industriale globale vede il forte coinvolgimento di giganti dell'energia e dell'alta tecnologia che collaborano strettamente all'interno di consorzi di ricerca internazionali come l'iniziativa europea Fusion for Energy.
Grandi attori del settore ingegneristico e manifatturiero avanzato, quali Westinghouse e la sua controllata Mangiarotti, lavorano allo sviluppo dei componenti strutturali per i reattori di prossima generazione, affiancati da realtà d'avanguardia nella metallurgia e nella fabbricazione di cavi superconduttori.
Sul fronte dei materiali bidimensionali, multinazionali dell'elettronica e della chimica fine stanno scalando i processi di sintesi chimica da deposizione di vapore per trasformare la produzione del grafene da una dimensione di laboratorio a una scala industriale standardizzata.

In questo contesto di frontiera, l'Italia occupa una posizione di assoluto rilievo scientifico e industriale, agendo da protagonista e non da semplice spettatrice.
Il sistema paese esprime la propria eccellenza attraverso il coordinamento scientifico dell'ENEA, l'Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile, che opera come program manager nazionale collaborando stabilmente con il Consiglio Nazionale delle Ricerche e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Il fulcro di questa leadership è rappresentato dal Divertor Tokamak Test, l'infrastruttura di ricerca sperimentale interamente italiana in fase di realizzazione avanzata presso il Centro Ricerche ENEA di Frascati.
Questo progetto strategico, avviato già dal 2018, mira a testare soluzioni tecnologiche cruciali per la gestione dei carichi termici estremi nei futuri reattori a fusione.

Il tessuto industriale italiano risponde a questa sfida con campioni nazionali del calibro di Eni, fortemente investita nello sviluppo della fusione a confinamento magnetico, e con eccellenze manifatturiere come ASG Superconductors, Ansaldo Nucleare e Walter Tosto. Queste aziende hanno già dimostrato la capacità di progettare, testare e consegnare i complessi e mastodontici magneti superconduttori destinati ai più importanti impianti sperimentali del mondo, posizionando la filiera tecnologica italiana ai vertici del mercato dell'energia pulita del domani.

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