Gli scienziati hanno scoperto che una fondamentale rara risorsa chiamata elio-3, è potenzialmente dieci volte più comune sulla Terra di quanto si sapesse in precedenza, anche se la fonte di questa extra riserva rimane misteriosa. La scoperta è importante perché l’elio-3 potrebbe essere alla base di un’energia pulita e illimitata per la nostra civiltà, ma è stato considerato inaccessibile perché si trova in gran parte nello Spazio, soprattutto sulla Luna.
L’elio-3 è un isotopo dell’elio, significa che contiene lo stesso numero di protoni di questo elemento comune ma un diverso numero di neutroni, questo isotopo è considerato una fonte di energia potenzialmente potente per i futuri reattori a fusione nucleare, il che lo rende una star della fantascienza e una risorsa ricercata nel mondo reale. Tuttavia, mentre piccole quantità della sostanza sono prodotte da processi geologici e dalle ricadute dei test sulle armi nucleari, si ritiene che sulla Terra sia disponibile pochissimo elio-3.
Ora, gli scienziati guidati da Benjamin Birner del Dipartimento geoscienze presso l’Università della California San Diego, come riportato nello studio pubblicato nella rivista Nature Geoscience, hanno acquisito prove di un’abbondanza precedentemente sconosciuta di elio-3 nell’atmosfera, che “presenta un importante rompicapo nel bilancio dell’elio-3” e “motiva la ricerca di fonti di elio-3 mancanti sulla Terra, soprattutto perché l’elio-3 è considerato una risorsa importante ma scarsa”.
I ricercatori hanno evidenziato che le fonti conosciute di elio-3 sulla Terra rappresentano solo il 10% dell’eccedenza. Benjamin Birner e i suoi colleghi hanno scoperto casualmente questo surplus dedotto di elio-3 (3He) mentre affrontavano un altro problema impegnativo: misurare l’aumento complessivo dell’elio atmosferico come risultato del consumo umano di combustibili fossili. Il team di ricercatori ha aperto la strada a una tecnica unica nel suo genere per stimare queste antropogeniche emissioni di elio, esaminando un altro isotopo, l’elio-4 (4He), che a sua volta ha portato alla incredibile conclusione che sul nostro pianeta esiste una fonte sconosciuta di elio-3.
Benjamin Birner ha detto:
«Abbiamo misurato solo il cambiamento nell’atmosfera dell’elio-4 (4He), tuttavia, il lavoro precedente di altri ricercatori indica che il rapporto isotopico dell’elio nell’atmosfera (3He/4He) è più o meno stabile. Insieme, queste osservazioni implicano un aumento di elio-3 (3He) atmosferico che corrisponde all’aumento di elio-4 (4He) o vedremmo un cambiamento nel rapporto isotopico atmosferico».
L’elio-3 potrebbe essere il combustibile ideale per la fusione nucleare, una potenziale fonte di energia che imita lo stesso processo che alimenta le stelle. La fusione nucleare anche se per decenni potrebbe non materializzarsi come una pratica fonte di energia, supponendo che sia fattibile, il suo potenziale di fornire energia pulita e illimitata alla popolazione umana globale la rende un’area di studio allettante. È probabile a tal fine, che gli scienziati di tutti i campi siano interessati a localizzare questo inspiegabile surplus di elio-3 sulla Terra che è stato implicato dalla nuova ricerca.
Benjamin Birner ha osservato:
«Quell’aumento di elio-3 (3He) è piuttosto sconcertante perché finora non abbiamo una buona spiegazione per la sua fonte. È un puzzle abbastanza importante da risolvere anche perché l’elio-3 (3He) è una risorsa importante e scarsa per i reattori a fusione nucleare. Sulla base delle incertezze riportate in studi precedenti sulla tendenza atmosferica 3He/4He, l’accumulo di elio-3 (3He) sembra significativo, ma il nostro studio motiva chiaramente uno sguardo più da vicino alla tendenza atmosferica 3He/4He».
L’elio dopo l’idrogeno, è il secondo elemento più leggero e abbondante in natura, ma può anche essere prodotto dal consumo umano di combustibili fossili, in particolare gas naturale. L’elio appartiene a una classe speciale di elementi, detti gas nobili, che sono relativamente poco reattivi con altre sostanze, di conseguenza, non è considerato un gas serra o un pericoloso inquinante, a differenza di altre antropiche emissioni come anidride carbonica e metano, ma sebbene l’elio atmosferico non contribuisca al cambiamento climatico provocato dall’uomo, è un importante tracciante di altre emissioni più pericolose.
Benjamin Birner ha detto:
«Il cambiamento atmosferico nell’elio è una domanda vecchia di decenni nella chimica dell’atmosfera, l’elio dovrebbe essere in grado di informare la nostra comprensione dell’uso dei combustibili fossili, si sospettava dagli anni ’80 che ci sarebbe stato un accumulo di elio-4 (4He) nell’atmosfera, ma mancavano chiare prove osservative. Insieme ai miei colleghi abbiamo lavorato per un po’ sui gas nobili atmosferici come indicatori del cambiamento della temperatura oceanica, ma finora non abbiamo applicato lo stesso metodo analitico all’elio. È stato in un certo senso un successivo passo logico perché grazie al suo legame con l’uso di combustibili fossili, l’elio è un gas nobile piuttosto interessante da studiare».
Studi precedenti hanno prodotto stime dell’elio antropogenico concentrandosi sul rapporto tra 3He e 4He, ma le piccole quantità di 3He rendono questa misurazione estremamente difficile. Il team di ricercatori per aggirare questo problema, ha sviluppato un metodo avanzato che misura il rapporto tra 4He e azoto gassoso (N2), che è sia l’elemento più abbondante nell’atmosfera sia quello che ha concentrazioni relativamente stabili nel tempo.
Benjamin Birner ha spiegato:
«Il nostro metodo non solo evita di misurare l’isotopo raro, che significa 3He, che migliora la nostra precisione di misurazione, ma normalizza anche l’abbondanza di 4He in N2. Lo scorso anno abbiamo condotto uno studio sulle tecniche di misurazione atmosferica che approfondisce molti progressi concettuali e innovazioni tecniche di questo nuovo metodo. Il N2 è stato molto stabile nell’atmosfera, il che rende 4He/N2 un indicatore delle concentrazioni di elio, al contrario 3He/4He potrebbe cambiare perché modifica il numeratore o il denominatore».
Il team di ricercatori ha applicato la nuova tecnica a 46 campioni d’aria acquisiti tra il 1974 e il 2020, producendo una nuova stima dei cambiamenti atmosferici dell’elio-4 su una scala temporale di decenni. I risultati nel nuovo studio hanno rivelato che le concentrazioni di elio-4 sono aumentate in modo significativo negli ultimi cinque decenni e che di conseguenza l’abbondanza di elio-3 supera di gran lunga le stime delle antropogeniche emissioni da gas naturale, armi nucleari e produzione di energia nucleare, suggerendo potenziali problemi con precedenti misurazioni isotopiche o una valutazione errata di fonti note.
Benjamin Birner ha aggiunto:
«Quando abbiamo iniziato, non eravamo affatto sicuri di quanto sarebbe stato grande il cambiamento atmosferico nell’elio e se saremmo stati in grado di misurarlo. Ci sono voluti tre anni per sviluppare e perfezionare il metodo analitico per 4He/N2, quindi quando ho effettuato le prime misurazioni ripetibili eravamo tutti davvero entusiasti di vedere quel duro lavoro arrivare a buon fine. Ci siamo resi conto delle implicazioni per 3He solo in seguito mentre stavamo esaminando i nostri dati, confrontandoli con il lavoro precedente, ed è stata una sorpresa per me. Il dedotto cambiamento 3He è più di 10 volte i flussi geologici naturali, sappiamo che 3He è prodotto anche dal decadimento del trizio. Il trizio è stato rilasciato dagli esseri umani nei test delle bombe nucleari, dall’attuale riserva di testate nucleari ed è probabilmente prodotto anche in alcune centrali nucleari. Tuttavia, la nostra stima di queste fonti suggerisce che possono rappresentare solo il 10% del dedotto aumento di 3He. Non è affatto chiaro da dove venga il resto».
Benjamin Birner e i suoi colleghi sperano di sradicare questa riserva nascosta di elio-3, sia naturale sia antropogenica. I ricercatori hanno in programma di applicare la loro nuova tecnica per districare le varie antropogeniche fonti di gas serra sulla Terra, uno sforzo che può aiutare a informare la nostra risposta al cambiamento climatico guidato dall’uomo.
Benjamin Birner in conclusione ha detto:
«L’elio può aiutarci a districare e verificare la proporzione di emissioni di carbonio dal gas naturale rispetto ad altre fonti come carbone o petrolio. Gli scienziati spesso eseguono le cosiddette “inversioni” per dedurre su scala locale o globale, le emissioni di anidride carbonica (CO2). In un’inversione, si utilizzano le concentrazioni osservate di CO2 in luoghi diversi e si deduce quanto devono essere state grandi le emissioni di CO2 per produrre queste concentrazioni. Ora se misuri la sola CO2, l’inversione ti dirà il flusso di CO2 ma usando anche l’elio, potremmo essere in grado di dire quale frazione di quella CO2 proveniva dalla combustione del gas naturale perché l’elio dovrebbe essere associato al gas naturale ma non tanto con altre fonti di emissione come il traffico automobilistico. Ora sto lavorando per sviluppare ulteriormente il metodo per rilevare nella città di San Diego i cambiamenti locali dell’elio. Sono fiducioso che con alcune ulteriori modifiche, la precisione sarà abbastanza buona da vedere la giornaliera variabilità locale delle concentrazioni di elio».