ENEA Rapporto 41 – Analisi e critica tecnica del contenuto

Stesura del Report in data: 14/12/2016
Pubblicazione con pw: 03/01/2017
Aggiornamenti: 25/01/2017 e 16/03/2017
Pubblicazione senza pw: 25/03/2017

INDICE

Premessa

1 – La cella utilizzata

2 – I punti deboli del documento

  • A – La forma del catodo
  • B – La misura del caricamento
  • C – La misura dell’Elio 4
  • D  – La misura del calore in eccesso
  • E – Misura di raggi gamma

3 – La fusione del catodo

4 – Note tecniche esplicative (dalla Nota 1 alla Nota 28)

5 Conclusioni

Appendice A Verifica sperimentale della possibilità di arroventare un sottile filo metallico immerso in acqua.

Appendice B Verifica sperimentale della possibilità di realizzare un efficiente calorimetro isoperibolico.

Appendice C Verifica sperimentale dell’influenza della tensione utilizzata per la misura della resistenza del catodo.


Premessa

Nell’anno 2002 l’ENEA di Frascati pubblicò un Report dal titolo “Experimental evidence of 4He production in a cold fusion experiment” (noto anche come Rapporto 41) relativo ad una sperimentazione tenutasi nei tre anni precedenti. La sperimentazione era stata commissionata da Carlo Rubbia con lo scopo di sondare la possibilità di ottenere reazioni di fusione nucleare a temperatura ambiente (la cosidetta Fusione Fredda).Il gruppo di ricerca, condotto dalla dott.sa Antonella de Ninno, giunse alla conclusione che la fusione Deuterio-Deuterio all’interno di un reticolo di Palladio e l’effetto Preparata (che fa riferimento all’effetto Coehn-Aharanov) erano ampiamente dimostrati. Ciononostante la comunità scientifica non prese in considerazione la loro relazione e nessuna rivista scientifica la pubblicò portando gli autori a dichiarare che nella migliore delle ipotesi la ricerca era stata affossata deliberatamente (Nota 1). In una intervista di alcuni anni fa Antonella de Ninno affermava:

Nessuno che abbia detto: , , quindi se la nostra misura è sbagliata, noi non sappiamo perché” (Nota 2).

Dopo 15 anni dalla pubblicazione abbiamo pensato di analizzare il documento nel tentativo di dare una risposta al dubbio degli stessi sperimentatori (Nota 3).

1 – La cella utilizzata

I test cui si riferisce il Rapporto 41 sono stati realizzati mediante una piccola cella elettrolitica (8.5 cc) con anodo piano in Platino e catodo quasi monodimensionale in Palladio immersi in soluzione di deuterossido di Litio (LiOD). Si tratta quindi di una cella Palladio – Deuterio concettualmente simile a quella utilizzata dai precursori Fleischmann e Pons tredici anni prima, ma con una particolare costruzione del catodo in grado, a detta degli autori, di aumentare grandemente la quantità di Deuterio introdotta nel reticolo del Palladio, a seguito del cosiddetto “effetto Preparata”, rendendo il fenomeno della fusione nucleare quasi immediato e molto ripetibile.

2 – I punti deboli del documento

La ricerca aveva un obiettivo ben preciso: correlare la quantità di 4He (Nota 4) prodotta da una cella elettrolitica (dotata di catodo di Palladio e elettrolita di acqua pesante resa elettricamente conduttiva mediante un composto del Litio) con il calore prodotto in eccesso. Si noti che secondo la fisica nota nessuno dei due fenomeni avrebbe dovuto verificarsi, quindi cercare in più una correlazione quantitativa era un obiettivo oltremodo ambizioso, che avrebbe confermato al di là di ogni ragionevole dubbio l’esistenza del fenomeno (Nota 5).I punti a nostro avviso criticabili che emergono dalla lettura del documento sono i seguenti:

A – La forma del catodo

Dal momento che si sarebbero dovuti misurare sia il calore che l’Elio prodotti, non si capisce perchè non si sia cercato di massimizzare la quantità di Palladio presente sul catodo e si sia deciso di utilizzare un catodo che ne conteneva una quantità così piccola (circa 1 mg).

Anche mantenendo la stessa dimensione dell’intera cella e la stessa forma unidimensionale del catodo, non si capisce perchè non si sia adottato un “passo” più stretto della serpentina che lo costituiva. Come si vede nelle Figure 2b e 10 del rapporto, la larghezza della pista di palladio depositata sul substrato era di circa 50 μm, spaziata di circa 800 μm: si sarebbe potuto adottare un passo di 150 – 200 μm aumentando così la quantità di Palladio di circa cinque volte. Inoltre non è chiaro perchè si sia adottata una singola serpentina molto lunga (1 metro), incorrendo nel rischio di fondere la parte attraversata dall’intera corrente (cosa effettivamente verificatasi come si mostrerà più avanti). Anche ammesso esista un valido motivo per mantenere proprio quella lunghezza, sullo stesso supporto avrebbero potuto trovare spazio senza alcun problema cinque serpentine in parallelo. Con una massa cinque volte superiore di Palladio si sarebbe aumentata di 5 volte sia la quantità di Elio eventualmente prodotta, sia la quantità di calore in eccesso riducendo le incertezze delle misure mentre il costo e la complessità del sistema sarebbero rimasti pressocché invariati.

B – La misura del caricamento

Secondo gli autori, il fenomeno di fusione nucleare del Deuterio inizierebbe solo quando il rapporto tra gli atomi di Deuterio all’interno del reticolo del Palladio e il numero di atomi di Palladio ha superato il valore critico di 1 (Nota 6).

La misura del livello di caricamento del Palladio (rapporto [D]/[Pd]) è stata effettuata mediante misura della resistività del catodo. Sebbene la procedura descritta e i dati riportati portino a pensare che gli autori possano veramente essere riusciti a caricare il Palladio a valori mai visti prima in letteratura (addirittura superiori a x = 1), tre particolari portano ad avere dubbi a riguardo.

Il primo è che il catodo non era sottoposto durante l’elettrolisi, a campo elettrico simmetrico. Il catodo infatti era depositato su un substrato isolante sotto forma di sottile pista bagnata dall’elettrolita solo sulla faccia esterna (larga circa 50 μm) e sulle due facce laterali (alte circa 2 μm). Il Deuterio aveva modo quindi di entrare solo attraverso tali superfici. La superficie in stretto contatto col substrato invece non era soggetta nè al contatto con l’elettrolita né all’azione del campo elettrico. In accordo con la letteratura nota (e per diretta esperienza di GSVIT nel test di compressione elettrochimica consultabile qui) in queste condizioni il Deuterio entrato nel Palladio tende ad uscire dalla superficie non esposta all’elettrolisi esercitando una pressione che è ricavabile dal diagramma di stato Palladio – Deuterio e che con valore di x pari a 0.85 a temperatura ambiente è superiore a 500 bar, per superare (presumibilmente perché mai ottenuto in laboratorio) i 10.000 bar per x pari a 0.95. Ci si deve quindi chiedere come abbia fatto il sottile film di Palladio a non distaccarsi dal substrato.

Il secondo motivo di dubitare della realtà di tali livelli di caricamento deriva dall’analisi della Figura 8 del rapporto, che riportiamo di seguito.

Figura 8 del Rapporto 41

Figura 8 del Rapporto 41

In essa si notano interruzioni, della durata di circa 2 minuti, della curva che esprime il rapporto R/R0 dalla quale gli autori desumono il livello di caricamento utilizzando il noto diagramma (comunemente detto di Baranowsky) riportato in Figura 7 del documento (Nota 7) che si suppone corrispondano alle interruzioni della elettrolisi citate nel testo e effettuate durante la fase supercritica allo scopo di verificare se effettivamente il sistema si trovasse a destra o a sinistra del massimo del rapporto R/R0. Dato lo spessore piccolissimo della pista di Palladio, si deve supporre che, soprattutto a livelli di caricamento così alti, il tempo di rilascio del Deuterio durante la pausa nell’elettrolisi dovesse essere molto breve. Non è chiaro quindi come mai la curva R/R0 ogni volta riprenda praticamente dallo stesso valore raggiunto al momento dell’arresto dell’elettrolisi o addirittura da un valore più basso come si nota nell’ultima interruzione (Nota 8).

Il problema della misura del caricamento di un catodo di Palladio era stato ampiamente trattato in una tesi di laurea in fisica all’università di Milano nell’anno accademico 1999/2000, relatore Luigi Zanotti, nella quale la stessa De Ninno appare come correlatore esterno (Analisi Sperimentale e Teorica del Caricamento in Idrogeno e Deuterio di Film di Palladio, Codici PACS 11.00,66.30, 72.80.G,81.40.R). Tale tesi, che sembra essere stata la base di riferimento per l’intero esperimento realizzato a Roma pochi anni dopo (eccetto per la mancanza della ricerca dell’Elio), appare di tutt’altro spessore e molto ben documentata (Nota 9).

In tale tesi, la misura del caricamento del catodo era effettuato in identico modo. Vi si legge che tempi troppo brevi portavano a errori inaccettabili della misura anche a causa delle correnti di elettrolisi che non avevano il tempo di azzerarsi, mentre tempi troppo lunghi portavano a degassamento del catodo: per questo la misura della conducibilità elettrica del catodo era effettuata con interruzioni dell’elettrolisi per tempi che oscillavano da 50ms (pag. 20 della tesi) a 800ms (pag. 66 della tesi). Nella stessa tesi si legge come la misura della conducibilità del catodo effettuata con catodo immerso in una soluzione elettricamente conduttrice (che quindi costituisce una resistenza elettrica incerta in parallelo) portasse a una sovrastima della variazione di resistività del catodo (cosa che, come descritto al capitolo 4.5 della tesi, li spinse a effettuare misure con caricamento gassoso a temperatura criogenica, che, ovviamente, eliminava il problema). Nel Rapporto 41 dell’ENEA non vi è traccia del fatto che gli autori abbiano affrontato il problema.

Nella tesi milanese si legge che non furono mai in grado di raggiungere il rapporto x = 1, pur essendo il sistema praticamente identico. Al contrario nel Rapporto 41 in esame si asserisce che tale valore fu ampiamente e ripetutamente superato, tanto che nella Figura 8 del Rapporto si può notare come dopo 2.5 ore di fase supercritica (cioè con x>1), la resistenza del catodo era addirittura tornata esattamente e stabilmente pari a quella del catodo non caricato (R/R0 = 1). Si noti che non è possibile dire a che livello di caricamento questo corrisponda, dato che non esiste alcun diagramma di stato “ufficiale” con valori di x maggiori di 0.9 (Nota 10).

Gli autori, anche considerando il fatto che in pochissimi hanno dichiarato il raggiungimento di valori di caricamento pari o superiori a 1, valore ritenuto dalla maggioranza dei chimici impossibile, avrebbero dovuto riportare i valori R/R0 anche durante i momenti di interruzione dell’elettrolisi e soprattutto continuare a registrare tale rapporto anche alla fine dell’esperimento, una volta spenta definitivamente l’elettrolisi. La curva avrebbe dovuto, nel giro di pochi minuti risalire circa al valore R/R0 = 2, per poi ridiscendere al valore R/R0 = 1 una volta completato il degassamento, come mostrato in Figura 1:

Figura 1

Figura 1

Lascia perplessi il fatto che in tre anni e con (si suppone) molti esperimenti eseguiti, gli autori non abbiano mai pensato di documentare in maniera inequivocabile l’effettivo raggiungimento di questa fase supercritica. Soprattutto se si considera che è ritenuta dagli autori una condizione fondamentale per l’innesco del fenomeno della fusione.

Il terzo particolare che porta a dubbi sul livello di caricamento raggiunto riguarda il valore di resistenza del catodo. Al punto 2 del documento gli autori dichiarano che la resistenza del catodo a temperatura ambiente e senza alcun caricamento di Deuterio era pari a 3 kΩ mentre nella riga precedente dichiarano che il catodo era costituito da uno strato di Palladio largo 50 μm spesso 2 μm e lungo 1 metro. Come è facile verificare, la resistenza di un simile catodo dovrebbe essere di circa 1050 Ω. Una simile differenza avrebbe richiesto una spiegazione da parte degli autori che invece sembrano non essersi nemmeno accorti del problema.

La resistenza del catodo veniva misurata, a elettrolisi interrotta, mediante un generatore ausiliario di tensione continua in serie ad una resistenza da 10.7 Ω, come si può vedere nella Figura 3 del documento che per comodità riportiamo di seguito (Nota 11).

Figura 3 del Rapporto 41

Figura 3 del Rapporto 41

C – La misura dell’Elio 4

La principale difficoltà nel misurare la quantità di 4He eventualmente prodotto dalla cella è legata al fatto che l’elettrolisi dell’acqua pesante produce Ossigeno e Deuterio e quest’ultimo ha peso molecolare che differisce da quello dell’Elio 4 solo dello 0.6% (4He = 4.0026 amu; De2 = 4.0282 amu). Per individuare quali elementi erano presenti nel gas in uscita dalla cella è stato utilizzato un analizzatore di massa a quadrupolo ad alta risoluzione (QMA) che evidenzia con delle righe su un diagramma la presenza dei vari elementi (Nota 12). Tale diagramma ha il peso atomico in ascissa e una corrente in ordinata, corrente che è proporzionale (a meno di piccoli fattori correttivi dipendenti dalla diversa sensibilità dello strumento per ogni tipo di gas) al quantitativo di ioni presenti con quella particolare massa (Nota 13). Le righe, per quanto grande sia la risoluzione dello strumento, hanno uno spessore che determina la capacità di risoluzione dello strumento stesso (Nota 14). La riga del pochissimo 4He eventualmente presente sarebbe quindi stata completamente coperta da quella vicinissima e di altezza enormemente superiore relativa al Deuterio. Per ovviare a questo inconveniente gli autori hanno eliminato il Deuterio prodotto dall’elettrolisi facendo passare il gas proveniente dalla cella su degli elementi (NEG = non evaporable getter) in grado di catturare molti gas tra cui Ossigeno e Deuterio e umidità, ma non i gas nobili (tra cui l’Elio) che essendo pochissimo reattivi lo attraversano senza essere catturati (Nota 15a).

Il procedimento appare corretto, ma qualche dubbio su quanto asserito viene dall’analisi della Figura 4 del Rapporto (che si riferisce a una calibrazione con aria forse addizionata di Deuterio e non a una misura durante un esperimento reale), che riportiamo sotto ingrandita:

Figura 4 del Rapporto 41

Figura 4 del Rapporto 41

In essa si vede, nel riquadro ingrandito, come il picco relativo al Deuterio (4.0282 amu) sia completamente assente, mentre quello relativo all’ 4He sia ben visibile. Guardando ai valori in ordinata si vede che il valore corrispondente all’ 4He vale 2.5 x 10-13 A, un valore piccolissimo se confrontato con la corrente relativa all’Argon in prima ionizzazione (amu = 40, I = 5 x 10-8 A): 200.000 volte inferiore. Ciononostante, nel diagramma non ingrandito, tale picco, che dovrebbe essere talmente piccolo da risultare invisibile, si vede chiaramente. Sullo spettrogramma  i picchi ad amu 36 e 38 sono generati dagli isotopi dell’Argon, quelli a amu 16, 17 e 18 dagli isotopi dell’Ossigeno, quelli a amu 14 e 15 dagli isotopi dell’Azoto, quelli ad amu 12 e 13 probabilmente dagli isotopi del Carbonio.  Evidentemente il NEG non aveva eliminato completamente questi gas (cosa comprensibile, soprattutto per l’Azoto), ma la cosa inspiegabile è che è presente anche il picco a amu 1, attribuibile solo all’Idrogeno, che non poteva essere presente se era effettivamente stato eliminato completamente il Deuterio come mostrato nell’ingrandimento.

La spiegazione più semplice è che il NEG non fosse stato in grado di eliminare completamente né l’Idrogeno (presente forse come impurezza nel Deuterio), né il Deuterio e che il picco mostrato nell’ingrandimento sia traslato a sinistra di 0.02 amu per scalibrazione delle ascisse dello strumento, per cui tale picco fosse relativo al Deuterio e non all’Elio come indicato dagli autori. Questo nel caso che il campione di aria fosse effettivamente stato addizionato di Deuterio (cosa che non compare scritta ma che può essere solo dedotta dalla didascalia ove si dice che il Deuterio era stato completamente eliminato). In un lavoro del 2007 gli stessi autori riportano la stessa immagine (Nota 15b) affermando che l’aria era stata prelevata all’esterno del laboratorio e non  era stato addizionato alcun gas. In questo caso è chiaro che il picco si deve riferire effettivamente all’Elio dato che in aria il Deuterio è praticamente assente. Nell’aria però il rapporto tra la quantità di Argon e elio presente è circa 2000, mentre il rapporto indicato in figura è di due ordini di grandezza superiore: occorre supporre che durante quella calibrazione si fosse inspiegabilmente aggiunto all’aria dell’Argon. In ogni caso il fatto che l’unico tracciato riportato dell’analizzatore di massa non si riferisca a un test effettivo, ma a una calibrazione (o meglio a un test con aria senza alcun significato e con un errore nel rapporto Elio/Argon di 100 volte), appare inspiegabile.

Gli autori dichiarano di avere effettuato una accurata calibrazione dell’analizzatore di massa utilizzando miscele con percentuali note di Azoto, Deuterio, Argon e Elio (soprattutto questi ultimi). Dovendo individuare la presenza di Elio ed avere la certezza di non misurare Deuterio, non si capisce perché gli autori abbiano deciso di fare riferimento all’Argon che ha peso atomico 10 volte superiore: fare riferimento al Deuterio ci pare sarebbe stata la scelta più logica e affidabile.

Per avere la certezza che il picco misurato fosse relativo all’Elio e non al Deuterio gli autori avrebbero potuto iniettare, prima di ogni misura, una piccola quantità di Deuterio (paragonabile alla quantità attesa di Elio) all’ingresso dell’analizzatore di massa. In questo modo si sarebbero dovuti vedere i due picchi (uno a 4.0026 amu e uno a 4.0282 amu) e non ci sarebbe stato alcun dubbio a riguardo. Tra l’altro, essendo semplice il dosaggio di precisione di questa quantità di Deuterio, il raffronto tra l’altezza dei due picchi avrebbe permesso una misura quantitativa dell’Elio più precisa, rendendo superflua la delicata e lunga  procedura di calibrazione dell’analizzatore di massa con miscele di gas.

A sostegno del fatto che il picco misurato (ma mai mostrato) attorno ad amu 4 durante la fase supercritica doveva essere proprio quello dell’Elio, gli autori riportano la Figura 9a (Nota 16), nella quale si vede che la quantità di questo gas all’interno del serbatoio di stoccaggio aumentava durante la fase supercritica (durante la quale supponevano essere presenti i fenomeni nucleari), ma era assente durante la fase precedente di precaricamento (durante la quale, essendo il rapporto X < 1, gli stessi autori sostengono che le reazioni nucleari non potevano essere presenti) e rimaneva costante durante la fase successiva di controllo.

Le nostre possibili spiegazioni sono 2. Durante la fase super-critica la corrente di elettrolisi era circa 5 volte superiore a quella della fase di precaricamento, per cui anche la produzione di Ossigeno e Deuterio erano ugualmente maggiori. Durante la fase super-critica la frequenza delle misurazioni era elevata (una ogni 40 minuti contro una ogni 2 ore e mezza). Il NEG era effettivamente in grado di assorbire tutto il Deuterio generato nella fase di precaricamento e di diffonderlo al suo interno durante la lunga pausa prima della misura successiva, ma durante la fase supercritica per i motivi ora esposti il NEG non era in grado di eliminare completamente il Deuterio di cui  restavano tracce, interpretate poi erroneamente come Elio. Il fatto che nella fase di controllo, a elettrolisi spenta, questo gas (non importa se Elio o Deuterio) rimanesse costante all’interno dello stoccaggio, dimostra solo che il contenitore non rilasciava /assorbiva in quantità apprezzabile molecole di tale gas, dal momento che, come si vede nella Figura 1 del rapporto, di seguito riportata, il NEG era posizionato dopo il serbatoio di stoccaggio.

Figura 1 del Rapporto 41

Figura 1 del Rapporto 41

A sostegno del fatto che sia lecito criticare la scelta di utilizzare un analizzatore di massa a quadrupolo in assenza di un picco di controllo di Deuterio, riportiamo quanto scritto su “Vacuum” nel 1998 già citato in Nota 14, in esso si legge:

“The atomic mass of helium differs from deuterium by 0.026 amu only. In order to distinguish a helium leak signal from the large deuterium background due to vessel outgassing. a leak detector with a resolution that is very much beyond the capability of standard mass spectrometry devices would be required. Therefore, special instruments had to be developed. Initially mass spectrometers with the highest achievable resolution in the D2/He mass range, like magnetic sector spectrometers or omegatrons, were used…..Recently, a modified quadrupole was developed at JAERI [Japan Atomic Energy Research Institute, ndr], wich is able to detect a 10-4 helium peack in a deuterium atmosfere.”

L’analizzatore testato all’epoca allo JAERI era un Balzers Gam 400, tuttora in produzione (seppure in versione aggiornata) e attrezzabile per misure specifiche su Elio e Deuterio.

Se gli sperimentatori usarono un nuovo (per allora) modello di analizzatore appena sviluppato in sostituzione di un analizzatore a settore magnetico considerato all’epoca (ma in realtà ancora oggi) lo strumento di riferimento per questo tipo di misura, avrebbero dovuto scriverlo e avrebbero dovuto mostrare le evidenze della capacità di quello strumento di effettuare con certezza la misura. Invece gli autori non riportano nemmeno il modello dello strumento utilizzato (che noi possiamo solo supporre fosse il Gam 400).

È quindi certo che già all’epoca era disponibile almeno un modello di analizzatore a quadrupolo in grado di effettuare quella misura e possiamo pensare che gli autori abbiano effettivamente utilizzato uno strumento di quel tipo, ma ciononostante è certo che quella misura non è una misura semplice per uno strumento a quadrupolo. Infatti in un articolo molto più recente (Sreekumar, Hogan, Taylor, Turner, Knott “A quadrupole Mass Spectrometer for Resolution of Low Mass Isotopes” pubblicato nel 2010 da Elsevier Inc. per conto di American Society for Mass Spectrometry) si legge:

To provide adeguate mass discrimination to resolve the peaks of hydrogen and helium isotopes presents certain difficulties. Due to their low mass, these isotopes have a relatively high velocity, wich results in them experiencing a low number of rf cycles in their passage though the QMF and results in poor mass resolution with the average QMS.

che dimostra come ancora oggi, nonostante gli indubbi miglioramenti avuti sugli strumenti a quadrupolo nei 15 anni che ci separano dalle misure del gruppo De Ninno, occorrano filtri particolari per garantire buone prestazioni su molecole a basso amu.

Ad ulteriore sostegno del fatto che gli Autori possano aver interpretato come Elio quello che in realtà era Deuterio c’è la già citata Figura 9a del documento, che riportiamo di seguito.

Figura 9 del Rapporto 41

Figura 9 del Rapporto 41

In questa figura si può vedere come la quantità di Elio che man mano si andava accumulando all’interno dello “storage”, cresceva in modo quasi perfettamente lineare col tempo (gli Autori tracciano una retta di regressione). Se ciò che gli Autori stavano misurando era veramente Elio proveniente da presunte reazioni nucleari, l’andamento appare strano.

Infatti occorre notare che dal momento dell’ingresso in fase super-critica, secondo le misure effettuate dagli Autori, il rapporto [D]/[Pd] è continuato ad aumentare secondo la curva da essi tracciata in Figura 7, fino a raggiungere il valore corrispondente a un rapporto R/R0 pari a 1. Poichè gli Autori sostengono che le reazioni nucleari iniziano nel tratto di catodo che ha raggiunto per primo questo valore minimo, si deduce che durante la fase super-critica i punti del catodo ove iniziavano fenomeni nucleari dovevano aumentare col passare del tempo, man mano che una parte sempre maggiore di catodo raggiungeva il valore critico  [D]/[Pd] = 1. In più si potrebbe supporre che le parti di catodo che per prime hanno avviato le reazioni nucleari (quelle più negative secondo gli Autori), col passare del tempo, raggiungendo valori [D]/[Pd] sempre maggiori aumentassero il numero delle reazioni e/o la loro intensità, come anche sostenuto dagli stessi Autori quando commentano le interruzioni del catodo.

Da questa considerazione ci si dovrebbe quindi aspettare come linea di regressione non una retta ma una curva con concavità verso l’alto. Ma occorre fare un’altra considerazione.

Come si legge a pagina 14 del documento, ad intervalli regolari, durante la fase super-critica veniva prelevato un volume pari al 6.29% del volume dello “storage”. Tali intervalli temporali, come si può vedere il Figura 9 del documento e leggere nel testo, erano pari a 40 minuti. Il documento non spiega nel dettaglio come il circuito fosse fatto, ma asserisce che la pressione all’interno della cella e quindi dello “storage” (che come si vede dalla Figura 1 è in collegamento diretto con essa) veniva mantenuta assolutamente costante e praticamente pari a quella atmosferica, senza introduzione di ulteriore Azoto a parte quello introdotto all’inizio del test.

Poichè durante la fase super-critica la corrente di elettrolisi era di circa 40 mA, la quantità di Deuterio liberato (trascurando quello assorbito dal Palladio che è quantità molto piccola) era di circa 16.7 cc/h. La quantità di Ossigeno liberato era pari a circa 8.3 cc/h. Ammettendo che nessun fenomeno di ricombinazione fosse presente, la quantità di gas che entrava nello “storage” era quindi pari a 25 cc/h.

Dal momento che gli Autori dichiarano che non dovettero immettere Azoto nel sistema durante tutto il corso del test e che lo storage non poteva andare in depressione essendo collegato alla cella elettrolitica che, come asseriscono gli Autori operava a pressione ambiente, ciò significa che la quantità di gas che veniva asportato dallo storage e inviato alla misura non poteva essere superiore a 25 cc/h. Il volume prelevato ogni volta era pari al 6.29% del volume dello storage e venivano effettuati 1.5 prelievi ogni ora. Da qui il massimo volume possibile per lo storage era:

Vs = 25 x 100 / (1.5 x 6.29) = 265 cc

Il documento non riporta quale fosse il volume dello “storage”, ma esso doveva essere composto dalla parte della cella non riempita da elettrolita, dalle tubazioni che collegavano la cella alla valvola di collegamento col volume tarato per il prelievo del campione e, forse, da un piccolo serbatoio aggiuntivo.

Come abbiamo visto il volume dello storage non poteva eccedere i circa 250cc, ma d’altra parte il suo volume non poteva nemmeno essere troppo piccolo o la pressione al suo interno nei periodi tra un prelievo e il successivo sarebbe salita eccessivamente e si sarebbe reso necessario evacuare gas mediante una valvola a sfioramento. E’ quindi ragionevole pensare che gli Autori abbiano adottato un volume di sample prossimo al limite massimo consentito, cioè circa 250cc..

L’atmosfera all’interno dello “storage” cambiava quindi durante il progredire del test, passando da puro Azoto, a una miscela di Azoto, Deuterio, Ossigeno e, secondo gli Autori, una piccolissima quantità di Elio.

Appare chiaro che per il tempo tendente all’infinito l’atmosfera all’interno dello “storage”, qualunque sia il suo volume, tende a una miscela di composizione costante contenente il 67% di Deuterio, il 33% di Ossigeno e, forse, una quantità piccolissima di Elio. Una produzione costante di Elio non avrebbe dato quindi origine a un aumento lineare della sua concentrazione all’interno dello “storage”, ma a un aumento che asintoticamente si sarebbe avvicinato a un valore costante. In Figura 1bis abbiamo rappresentato l’andamento della quantità di Elio all’interno dello “storage” nel caso di volume di 250, 100 e 50cc.

Figura 1bis

Figura 1bis

Come si vede con un volume di storage pari a 250cc la curva è già molto vicina a una retta ma presenta ancora una piccola concavità verso il basso che è effettivamente visibile nei dati riportati in Figura 9a.

L’andamento quasi lineare riportato dagli Autori sarebbe quindi compatibile con l’ipotesi che ciò che si stava misurando fosse veramente Elio ammesso che il numero di reazioni fosse costante per tutta la durata della fase supercritica, cosa su cui abbiamo già avanzato i nostri dubbi. In realtà si può fare anche un’ulteriore considerazione.

Il catodo di Palladio, del peso di circa 1 mg, conteneva circa 5 x 10^18 atomi di Palladio. Se il caricamento era circa X = 1, significa che c’erano anche circa 5 x 10^18 atomi di Deuterio. Dalla fig. 9a si deduce che si formavano circa 2 x 10^14 atomi di Elio ogni ora. Dopo un test come quello indicato, della durata di circa 3 ore, erano stati prodotti all’interno del catodo circa 5 x 10^14 atomi di elio, cioè era presente solo 1 atomo di Elio ogni 10 mila atomi di Deuterio. Ci si dovrebbe chiedere per quale motivo gli atomi di Elio uscissero immediatamente per essere misurati dagli Autori, invece di rimanere intrappolati nel reticolo del Palladio per tempi lunghi insieme al Deuterio. Quale forza costringeva solo i nuclei di Elio appena formati a farsi strada tra il reticolo del Palladio già saturo di Deuterio, per portarsi sulla superficie e liberarsi nel bagno elettrolitico?

Gli Autori raccontano che dovettero eliminare la pompa del vuoto ad anello liquido perchè l’Elio rimaneva intrappolato nell’olio. Raccontano pure che l’Elio rimaneva intrappolato nelle pareti della camera di misura nonostante lunghi tempi di degasamento ad alta temperatura. Perchè solo dal Palladio l’Elio usciva immediatamente?

Se pensiamo ad un unico atomo di Elio immerso in un mare di atomi di Deuterio all’interno del Palladio, esso avrà una certa probabilità di uscire in un certo tempo. Se gli atomi sono 100, la probabilità che nello stesso tempo un atomo di Elio esca sarà 100 volte superiore o, detto in altro modo, nello stesso tempo usciranno 100 volte più atomi. Se la produzione di atomi di Elio era costante (circa 2 x 10^14 atomi di Elio all’ora), significa che Elio si sarà cominciato ad accumulare all’interno del Palladio, finchè, aumentando il numero di atomi, la quantità di atomi uscenti per unità di tempo ha eguagliato il numero di atomi che si stavano producendo. Una volta terminata la produzione di atomi (fine dell’elettrolisi e X < 1) l’Elio avrà continuato ad uscire in quantità via via decrescente nel tempo.

Tutto questo suggerisce un andamento della quantità di Elio prodotto non costante, ma crescente nel tempo e prolungata dopo la fine della fase ipercritica. Ma anche ciò porterebbe a un andamento in fig 9a non rettilineo come indicato, ma con concavità verso l’alto. Nell’ipotesi che ci fosse stato veramente produzione di Elio, ci sono quindi due motivi per dire che l’andamento che gli Autori hanno indicato con una retta (o meglio con una curva con leggera concavità verso il basso) dovesse in realtà essere una curva con concavità verso l’alto.
Rimane da chiarire se questo stesso andamento sia ugualmente compatibile con l’ipotesi che in realtà si trattasse di Deuterio.

Come già scritto, la composizione dell’atmosfera all’interno dello storage cambiava durante il corso del test, passando da puro azoto a una miscela di Azoto, Ossigeno, Deuterio e, forse, una piccolissima quantità di Elio. All’aumentare della presunta concentrazione di Elio corrispondeva quindi un aumento della concentrazione di Deuterio, che passava dallo 0% iniziale a circa il 15% alla fine della fase ipercritica (nell’ipotesi di storage di volume 250cc). Dal momento che i NEG non eliminano completamente il Deuterio, ma effettuano nel tempo, come qualunque altra pompa del vuoto, una riduzione della sua concentrazione (teoricamente in condizioni ideali occorre tempo infinito per l’eliminazione totale), il residuo, a parità di tempo di esposizione al NEG è proporzionale alla concentrazione iniziale. L’andamento indicato in Figura 1bis è quindi perfettamente compatibile anche con l’ipotesi che si stesse misurando Deuterio.
In realtà l’andamento di Figura 9a avvalora maggiormente l’ipotesi di misura di Deuterio, dal momento che il presumibile aumento di Elio generato a causa dell’aumento del numero e intensità delle reazioni nucleari di cui si è discusso in precedenza avrebbe dovuto deformare notevolmente la curva al punto da cambiarne la concavità.

Nell’ipotesi che si stesse misurando Deuterio, una seconda possibile spiegazione dell’andamento, che non esclude quella precedente, è la seguente: come si vede in Figura 9 del Documento, si effettuò una misura all’analizzatore di massa a inizio della fase di pre-loading, una alla fine di tale fase cioè 2.5 ore più tardi, poi iniziarono le misure durante la fase super – critica, al ritmo di una ogni 40 minuti. Le prime due misure diedero un valore quasi uguale, pari a circa 3 x 10^13 atomi (di Deuterio) perchè le due misure erano molto distanziate e il NEG aveva avuto il tempo di diffondere al suo interno il Deuterio e gli altri gas assorbiti e questo era il valore di equilibrio. Poi le misure successive effettuate con intervallo di tempo quattro volte inferiore avvenivano senza dare il tempo necessario al NEG per la completa diffusione al suo interno dei gas, per cui l’equilibrio veniva raggiunto via via con un maggior numero di atomi di Deuterio nello “storage”.

Possiamo verificare se queste ipotesi sono verosimili calcolando il livello di vuoto cui sarebbero giunti i NEG. Dalla Figura 9a si vede che nei 250cc dello storage rimanevano 7 x 10^14 atomi (presunti) di Elio. Questi atomi erano dispersi in 250cc di una miscela di Azoto, Deuterio e Ossigeno. Il totale delle molecole presenti in quel volume, secondo Avogadro, era di circa 6 x 10^21 per cui una molecola ogni 10^7 era costituita, secondo la nostra ipotesi, da Deuterio residuo. Poichè la concentrazione di Deuterio, come già visto, rappresentava circa il 15%, occorre supporre che il NEG riducesse la concentrazione del Deuterio di 1.5 x 10^6 volte.
I NEG avrebbero dovuto permettere di identificare Elio in una atmosfera di Deuterio con un rapporto superiore a 10^6, mentre, come riportato all’inizio del presente paragrafo, la letteratura di quel periodo parlava di capacità di un analizzatore di massa a quadrupolo accoppiato a NEG di individuare Elio con un rapporto fino a 10^-4.

Occorre osservare che i NEG sono in grado di raggiungere livelli di vuoto estremamente più spinto (l’uso tipico è in tubi a vuoto e display a emissione di campo ove il vuoto tipico è 10^-9 bar, o negli acceleratori ove il vuoto tipico è 10^-12 bar), ma sono sempre utilizzati come “finitori” e elementi per mantenere nel tempo il vuoto, mai come pompe principali. Il vuoto cioè viene sempre effettuato preliminarmente mediante pompe di altro tipo. Il quantitativo di gas che i NEG sono chiamati ad assorbire è in questo modo ridotto, a parità di condizioni, di un fattore almeno 10^5 – 10^6. Cioè un NEG utilizzato come pompa principale in un sistema con volume di 1cc, dovrà essere dimensionato come normalmente è dimensionato un NEG utilizzato per volumi dell’ordine del metro cubo.

Occorre osservare che gli Autori utilizzarono inizialmente una pompa ad anello liquido come pompa principale cui facevano seguire l’assorbimento mediante NEG. Gli Autori sostengono che in questo modo non si trovava Elio perchè esso rimaneva intrappolato selettivamente nel liquido della pompa, per cui hanno deciso di eliminare la pompa. Noi non siamo riusciti a trovare in letteratura questo fenomeno di assorbimento selettivo dell’Elio, ma in ogni caso gli Autori avrebbero dovuto giustificare questa loro scelta sul piano teorico o meglio riportando qualche esempio in letteratura dell’effettiva esistenza del fenomeno. Ancora meglio sarebbe stato se avessero provato a sostituituire la pompa con una pompa a secco che è comunque in grado di realizzare vuoti di circa 10^-6 bar.

Una obiezione che si potrebbe portare alla nostra ipotesi è che solo pochi degli oltre 100 test condotti dagli Autori hanno evidenziato la presenza del picco indicato come Elio. La nostra spiegazione è che i NEG fossero dimensionati al limite, per cui nella maggioranza dei casi essi erano stati effettivamente in grado di eliminare completamente il Deuterio anche quando questo raggiungeva percentuali elevate all’interno dello storage, ma in alcuni casi, per motivi casuali, l’assorbimento dei NEG fosse ridotto e una piccolissima percentuale di Deuterio veniva trasferito nella camera di misura dell’analizzatore di massa per poi essere interpretato come Elio.

In definitiva ci pare che la misura della presenza di Elio non sia stata documentata in modo sufficiente, mentre il dubbio che si trattasse di Deuterio ci pare non possa essere escluso.

D  – La misura del calore in eccesso

Il calore in eccesso è stato misurato mediante una cella Peltier commerciale (Nota 17).

Ancora una volta il documento non aiuta a capire come tale misura sia stata effettuata e occorre riferirsi al filmato di Maurizio Torrealta relativo a una intervista rilasciata dalla De Ninno per cercare di capire come stessero le cose.

Figura 2

Figura 2

Figura 3

Figura 3

Figura 4

Figura 4

Foto 2a del Rapporto 41

Foto 2a del Rapporto 41

Sulla base delle Figure 2, 3 e 4 tratte da quel filmato e alla Figura 2a del documento che per comodità riportiamo, si può supporre quanto segue:

  • Il catodo, depositato sotto forma di una sottile pista su un substrato piano quasi certamente ceramico, probabilmente di allumina e di forma quadrata di lato circa 40 mm, era alloggiato all’interno di un blocco di teflon a sua volta contenuto in un contenitore cilindrico in acciaio inossidabile. Tra il blocco di Teflon e il substrato era posta una cella Peltier presumibilmente di dimensioni poco inferiori a quelle del substrato. Il contenitore in acciaio inossidabile scambiava calore con un disco (presumibilmente in ottone) dello stesso diametro mantenuto a temperatura costante mediante canali attraversati da liquido termostatato.
  • L’anodo di Palladio, quadrato e di dimensione pari a quella del substrato che sorreggeva il catodo, era posizionato parallelamente a 5 mm dal catodo in un blocco di Teflon simile a quello contenente il catodo, ma senza cella Peltier. Il contenitore cilindrico in acciaio inossidabile, diviso in due parti, e il disco in ottone erano avvitati insieme a formare l’intera cella, come visibile nella figura 2a del documento.
  • Il contenitore in acciaio inossidabile era posizionato all’interno di un vessel ad alto vuoto, di forma cilindrica e dall’apparente volume interno di 1 – 2 litri. Riteniamo che, correttamente, l’utilizzo di tale vessel avesse lo scopo di (quasi) annullare lo scambio termico tra il contenitore in acciaio inossidabile della cella e l’ambiente esterno, in modo da garantire che la maggior parte possibile del calore in uscita dalla cella elettrolitica venisse asportato dal fluido di raffreddamento circolante nel disco di ottone. Esso inoltre garantiva una elevata ripetibilità, rendendo l’esperimento indipendente dalle condizioni ambientali.
  • Il vessel con tutte le valvole, le tubazioni e i collegamenti elettrici, era posizionato all’interno di una camera termostatata, si suppone, alla stessa temperatura del fluido di termostatazione del disco in ottone garantendo un ulteriore miglioramento della ripetibilità e stabilità del sistema.

La misura della tensione generata dalla cella Peltier è stata trovata essere linearmente proporzionale alla potenza ceduta dalla cella elettrolitica secondo il rapporto 17.3 +/-0.3 mW/mV. Dal momento che la potenza termica misurata in eccesso è stata di circa 20 mW, si deduce che il segnale letto sulla cella Peltier si discostava di circa 1mV dal valore in assenza di reazioni anomale, valore al limite degli errori derivanti dalla deriva della cella Peltier. Si consideri che in quelle condizioni la potenza elettrica immessa nella cella elettrolitica è certamente superiore a 1.4 W (Nota 18), per cui il presunto calore in eccesso era inferiore al 1.5% di quello fornito, valore ritenuto in campo calorimetrico quasi impossibile da misurare con certezza (COP < 1.02) soprattutto su sistemi così piccoli. Ma la cosa fondamentale è che tale quantità di calore rientra negli errori strumentali se si considera che l’incertezza dichiarata dagli stessi autori sul segnale della cella Peltier era pari al +/-1.7%.

Un altro importante fattore di cui gli autori sembrano essersi completamente dimenticati è il problema della possibile ricombinazione dell’Ossigeno e del Deuterio che si liberavano dalla cella e che non venivano tenuti separati in alcun modo (Nota 19).

In base a queste considerazioni, dal momento che il calore in eccesso misurato era 12 volte minore di quello atteso in base alla misura della quantità di 4He misurato dall’analizzatore di massa, gli autori avrebbero dovuto prendere in seria considerazione il fatto che non ci fosse alcun calore in eccesso e che quei 20mW di apparente eccesso fossero frutto di errori strumentali o legati alla ricombinazione di Ossigeno e Deuterio. Questo avrebbe dovuto portarli a riesaminare il metodo di misura della quantità di Elio prodotto.

Invece gli autori cercano di dare una spiegazione al fatto che il calore misurato fu molto inferiore a quello atteso, dando per scontato che il valore corretto fosse quello ricavato dalla misura dell’Elio. La spiegazione trovata è sconcertante e oltre ad andare contro i più elementari concetti di scambio termico, sembra indicare che gli autori non conoscessero il principio di funzionamento della misura calorimetrica che essi stessi avevano allestito.

Gli autori infatti ritengono che la misura del calore in eccesso risultasse molto inferiore al reale a causa del fatto che il calore veniva prodotto sul catodo in punti molto localizzati ove la temperatura raggiungeva valori elevatissimi, in qualche caso prossimi a quella di fusione del palladio (1550°C). Secondo gli autori a quelle temperature il calore generato in un punto molto localizzato del catodo si sarebbe trasmesso quasi solo per irraggiamento e la cella Peltier non lo avrebbe rilevato (Nota 20). L’affermazione è assurda perché, se è vero che un corpo in aria a quella temperatura emette calore praticamente solo per irraggiamento, occorre considerare che il deposito di Palladio era di dimensioni micrometriche e in strettissimo contatto termico con il contiguo Palladio freddo e con il substrato, con i quali scambiava calore soprattutto per conduzione, e il tutto era immerso nell’elettrolita (Nota 21).

Un semplice calcolo dimostra l’assurdità dell’affermazione degli autori.

Figura 5

Figura 5

In Figura 5 è schematizzata la sezione della pista in Palladio ed è stata indicata in rosso una ipotetica minuscola zona ove si sarebbe innescata la reazione nucleare esotermica secondo le supposizioni degli autori. Supponiamo che tale area abbia raggiunto una temperatura sufficientemente elevata da cedere fortemente calore per irraggiamento ma non tale da causarne la fusione. Fissiamo questa temperatura in 1200 °C. La conducibilità termica del Palladio è pari a 70 W/mK; la costante di Stefan Boltzman vale 5.7 x 10-8 Wm-2K-4. Supponiamo che la conducibilità termica del substrato sia 25 W/mK (allumina), e che alla distanza di 1 mm la temperatura sia ormai pari a quella dell’elettrolita (22). Trascuriamo cautelativamente il calore scambiato direttamente dalla zona calda con l’elettrolita, e, secondo quanto inspiegabilmente supposto dagli autori, consideriamo nullo il calore scambiato per irraggiamento verso il substrato.

Possiamo scrivere:

  • superficie irradiante = 2.5 x 10-9 m2
  • superficie di scambio per conduzione verso il circostante Palladio = 2 x 10-10 m2
  • superficie di scambio per conduzione verso il substrato = 2.5 x 10-9 m2

da cui:

  • Q1 = calore per irraggiamento = 5.7 x 10-8 x 2.5 x 10-9 x 15004 = 7.5 x 10-4 W
  • Q2 = calore per conduzione verso il Palladio = 70 x 2 x 10-10 x 1200 / 10-3 = 1.6 x 10-2 W
  • Q3 = calore per conduz. verso il substrato = 25 x 2.5 x 10-9 x 1200 / 10-3 = 7.5 x 10-2 W

Quindi:  Q2 + Q3 > 100 x Q1 cioè il calore ceduto per conduzione è 2 ordini di grandezza superiore a quello scambiato per irraggiamento.

Inoltre la cella elettrolitica era un piccolo contenitore chiuso e in qualunque modo il calore venisse generato al suo interno, esso veniva ceduto all’elettrolita che a sua volta lo cedeva a tutte le pareti della cella che a causa dell’elevato coefficiente di scambio termico si trovavano a una temperatura quasi identica a quella dell’elettrolita stesso.

In ogni caso, anche ammesso che il calore in eccesso venisse trasferito solo per irraggiamento come suppongono gli autori, non si capisce perché circa metà di esso non dovesse trasferirsi al catodo (se la pista di Palladio era rovente irraggiava in tutte le direzioni, quindi anche verso il substrato freddo). Circa metà del calore in eccesso doveva quindi essere rilevato dalla cella Peltier. D’altra parte anche il valore di calibrazione (17.3 mW/mV) era stato ottenuto in una situazione nella quale buona parte del calore non attraversava la cella Peltier (Nota 23). Ma anche considerando che durante la calibrazione tutto il calore introdotto attraversasse la cella Peltier, la sottostima del calore prodotto in eccesso sarebbe stato di un fattore 2, non di 12 volte (Nota 24).

Abbiamo voluto verificare le affermazioni degli autori mediante un semplice esperimento, la cui descrizione è riportata nella Appendice A. Anche l’esperimento ha dimostrato in maniera evidente l’infondatezza delle asserzioni degli autori.

E – Misura di raggi gamma

Sebbene l’obiettivo dell’indagine fosse scoprire la presenza di Elio e di calore in eccesso, non si può non ricordare che una reazione nucleare D-D produrrebbe raggi gamma da 23.77 MeV nel caso il prodotto di reazione fosse 4He, e neutroni nel caso la reazione producesse 3He. Anche supponendo che la prima reazione fosse fortemente favorita e che i raggi gamma venissero assorbiti in grande parte dal reticolo del Palladio e trasformati in calore, è difficile pensare che i moderni rilevatori non sarebbero stati in grado di evidenziare la presenza di raggi gamma o di neutroni: gli stessi autori, nell’introduzione, riportano il fatto che Fleischmann e Pons riferivano di avere rilevato una leggera radioattività proveniente dalla loro cella, fenomeno riportato dalla quasi totalità dei ricercatori che hanno realizzato esperimenti su sistemi D-Pd, ma anche da chi ha indagato su altri sistemi (Idrogeno – Titanio; Idrogeno – Nichel).

La reazione D-D verso 4He in condizioni usuali produce un fotone gamma da 23.77 Mev che è estremamente penetrante: occorre una parete di acciaio dello spessore di molti centimetri per assorbire la metà dei fotoni incidenti, una parete di alcuni metri di Teflon, una parete di decine di metri di polistirolo espanso, che sono i materiali che circondavano la cella in esame.

Consideriamo il numero di fotoni prodotti, secondo gli Autori, all’interno della cella, corrispondenti alla produzione di 4He misurato. Dalla Figura 9a si ricava che tale valore era di circa 2 x 10^14 fotoni/ora, corrispondenti a circa 5 x 10^10 fotoni al secondo.
La struttura che costituiva e circondava la cella costringeva tali fotoni ad attraversare uno spessore di circa 10mm di Teflon, 10mm di acciaio inox, alcune decine di centimetri di polistirolo espanso. Come scritto sopra tale schermatura ha effetto schermante quasi nullo su fotoni da 23.77 Mev, ma per sicurezza consideriamo che sia in grado di attenuarli di un fattore 5.
In assenza dei fenomeni supposti da Preparata (Nota 28) tali per cui i fotoni emessi venivano assorbiti dal reticolo del Palladio, i fotoni uscenti dal sistema di prova dovevano quindi essere almeno 10^10 al secondo.
Supponendo di posizionare un sensore di gamma all’esterno del sistema, esso si troverebbe a una distanza dell’ordine di 1 metro dalla cella. La superficie della sfera di spazio a questa distanza è circa 10^5 cm2. Se si utilizza un comune sensore gamma con superficie utile di 1 cm2, esso rileverebbe 10^5 fotoni al secondo. Se anche solo un fotone su 100.000 fosse sfuggito al fenomeno supposto da Preparata di assorbimento da parte del reticolo di Palladio, il rilevatore avrebbe registrato un evento al secondo.

Il numero di fotoni nell’intorno di 23 Mev dovuti al fondo naturale è di uno ogni qualche ora quindi migliaia di volte inferiore. Ci sembra quindi che la ricerca di raggi gamma fosse non solo opportuna, ma doverosa (e certamente nel laboratorio ENEA la strumentazione opportuna non mancava).
Occorre inoltre considerare che un operatore a 2 metri dal dispositivo, in assenza del fenomeno di assorbimento supposto da Preparata, sarebbe stato investito da circa 10^8 fotoni al secondo. La potenza incidente corrispondente è di 3.6 x 10^-4 W. Un operatore presente nel laboratorio avrebbe quindi assorbito una dose di radiazioni corrispondenti a circa 20 mSv/h, una dose importante che avrebbe dovuto essere continuamente monitorata (200 ore di esposizione a quel livello sono mortali).

F – Misura in bianco

Quando si eseguono test di questo tipo è sempre buona norma eseguire test in bianco, invece nel report non ve n’è traccia (Nota 25). Eppure poteva essere eseguito un test in bianco semplicissimo, scambiando la polarità della cella. Il Deuterio emesso sull’elettrodo di Platino non avrebbe ovviamente potuto essere assorbito da questo metallo, per cui non si sarebbe potuto produrre né Elio nè calore in eccesso. Tutto il resto del sistema non si sarebbe potuto accorgere dello scambio per cui un eventuale aumento della quantità di Elio nel serbatoio di accumulo o la misura di un eccesso di calore avrebbe evidenziato un problema sulle misure. Questo test si sarebbe potuto eseguire alla fine di ogni test effettivo (dopo la fase denominata dagli autori Control Phase).

3 – La fusione del catodo

La Figura 10 del documento riporta la fotografia di un catodo in cui sono chiaramente visibili almeno tre interruzioni della sottile pista di Palladio.

Gli autori dichiarano che tali interruzioni non possono essere attribuite a surriscaldamento ohmico per cui sono da attribuire a riscaldamenti localizzati dovuti a intensa reazione di fusione nucleare locale.

In una resistenza elettrica è praticamente impossibile avere più di una interruzione per surriscaldamento ohmico, dal momento che dopo la prima interruzione la corrente si azzera per cui non è possibile che un altro punto possa surriscaldarsi, se non supponendo la perfetta contemporaneità, evento estremamente improbabile. In questo caso però la situazione è completamente diversa: il filamento di Palladio non è una resistenza alimentata alle estremità, ma un catodo alimentato da un solo lato (Figura 3 del documento). In queste condizioni la corrente che fluisce nel filamento del catodo diminuisce dal punto che è collegato al generatore di corrente via via fino ad annullarsi all’estremità opposta. In queste condizioni il punto più soggetto a rottura per surriscaldamento ohmico è quello più vicino al punto di collegamento al generatore, cioè quello più negativo. Anche perché in questo punto la generazione di gas è maggiore, per cui lo scambio termico del conduttore con l’elettrolita è minore. Gli autori dichiarano che la fusione è effettivamente avvenuta in quella zona, ma ne traggono la conclusione che ciò è dovuto al fatto che in quella zona l’effetto Preparata è più intenso, quindi maggiore il caricamento e il calore generato dalla reazione nucleare.

Considerando che gli autori sono certamente riusciti a caricare il Palladio a valori molto elevati, a nostro parere il processo di interruzione multipla del catodo potrebbe essersi svolto nel seguente modo: a causa della forte densità di corrente (400 A/mm2!), nella zona ove la corrente è più intensa (cioè quella più negativa) si origina una interruzione (probabilmente dovuta a distacco della pista dal substrato (Nota 26) a seguito del forte caricamento) e conseguente crollo dello scambio termico col substrato. Questa situazione porta ad un aumento della temperatura del tratto distaccato che per questo aumenta la propria resistenza e quindi la potenza elettrica in essa dissipata (raddoppia circa a 300 °C) e innesca un fenomeno di runaway che porta rapidamente il tratto a interrompersi (Nota 27). La parte rimanente di catodo tra il generatore e l’interruzione continua ad essere attraversata da corrente per cui continua a caricarsi di Deuterio. Occorre notare che la cella era alimentata da un generatore di corrente costante, e non da un generatore di tensione, come si evince dallo schema elettrico visibile nella Figura 3 del documento. Non possiamo sapere se gli autori hanno programmato un limite di tensione sull’alimentatore, ma certamente a seguito della prima interruzione del catodo la tensione applicata alla cella aumentò a seguito del crollo della resistenza elettrica della cella dovuta all’improvvisa diminuzione della superficie del catodo. Questo fatto ha ulteriormente incrementato la produzione di bollicine di gas sul tratto di catodo rimasto alimentato diminuendo ulteriormente il coefficiente di scambio termico con l’elettrolita. Così, dopo un po’ un’altro tratto di pista si distacca e genera una seconda interruzione e così via. La prima interruzione non è avvenuta esattamente all’inizio della sottilissima pista (lungo 1 metro) che costituisce il catodo a causa soprattutto della tolleranza sullo spessore del deposito di Palladio, ma avviene comunque nei primi 5 cm più sollecitati.

Dal momento che gli autori sostengono che invece la fusione era dovuta a intensa reazione nucleare,  dovrebbero spiegare come sia possibile che il Palladio sia rimasto carico di Deuterio a valori tali da permettere il mantenimento del fenomeno di fusione nucleare anche a temperatura prossima a quella di fusione (1550°C), quando è sufficiente osservare il diagramma di stato Palladio – Idrogeno riportato in Figura 6 (col Deuterio è quasi identico) per scoprire che ciò appare impossibile dato che a 500°C la pressione di equilibrio è di circa 10.000 bar, un valore molto superiore alla resistenza meccanica del metallo a quella temperatura, con un valore di caricamento pari solamente a 0.7.

Figura 6

Figura 6

4 – Note tecniche esplicative

(Nota 1) Il 6 giugno 2013 alle ore 8:59 sul blog “22Passi d’amore e dintorni“, Antonella de Ninno commentava:

In questi anni sono arrivata alla conclusione che solo nella migliore delle ipotesi questa ricerca è stata affossata deliberatamente a seguito di un complotto internazionale, in realtà, molto più prosaicamente e tristemente si é trattato di un addensamento di “decision maker” e relativi lacchè nel terzo quadrante del grafico di C.M. Cipolla.


(Nota 2) “L’inchiesta” di Maurizio Torrealta con intervista ad Antonella De Ninno: FUSIONE FREDDA,RAPPORTO 41- quello che non vi hanno mai detto

Utili alla comprensione anche i seguenti link: Report Fusione fredda (parte 1) e Report Fusione fredda (parte 2)


(Nota 3) Nel 2011 il chimico Camillo Franchini pubblicò una recensione del Rapporto 41, reperibile al seguente link:

https://www.scribd.com/document/63332943/Rapporto-41

oppure direttamente da qui.


(Nota 4) L’Elio-4 è la forma comune dell’Elio. Esso può essere formato mediante fusione nucleare di due atomi di Deuterio, questa reazione con prodotto finale 4He  (in accordo con la Fisica nucleare GA) risulta però essere molto improbabile, come anche indicato dagli autori nell’appendice teorica del documento; la probabilità che la fusione di due atomi di Deuterio dia origine ad un atomo di Elio-4 è un milione di volte inferiore rispetto alla probabilità di dare origine a Elio-3 più un neutrone oppure a Trizio più un protone.

La figura seguente mostra i branches di fusione DD a più alta probabilità, la fusione DD avviene in due stadi: nel primo stadio si forma un nucleo intermedio eccitato [4He*], nella seconda fase il nucleo eccitato rilassa emettendo prodotti di fusione.

Il branch di fusione DD che produce l’Elio-4, il branch meno probabile (10^-6) di seguito raffigurato, ottenuta in acceleratore al di fuori di un reticolo metallico (*), produce oltre al 4He un raggio gamma molto energetico (28.3 MeV) e nessun altro prodotto di reazione. Anche in questo caso il processo avviene in due stadi: il primo stadio è comune con il caso precedente e si forma sempre il nucleo intermedio eccitato [4He*] ma nella seconda fase il nucleo eccitato rilassa emettendo gamma da 28.3 MeV.

I sostenitori della fusione fredda pensano che questo processo di fusione DD con produzione di 4He sia il modo di decadimento principale quando la reazione avviene nel reticolo del Palladio. Inoltre suppongono che il raggio gamma non abbandoni il reticolo come sarebbe logico aspettarsi, ma ceda immediatamente la sua energia al reticolo stesso trasformandosi in calore.

(*) GSVIT specifica di non avere trovato ad oggi alcun riscontro, cioè solide prove ed elementi scientifici nucleari-sperimentali (condivisi dalla comunità scientifica mondiale), che costituisca evidenza incontrovertibile delle ipotesi formulate dagli Autori, i quali sostengono esista una fondamentale differenza tra la fusione nucleare del Deuterio nella materia condensata e quella nel vacuo.

(Nota 5) Già in precedenza ci furono tentativi di correlare l’intensità di presunti fenomeni nucleari con il presunto eccesso di calore. In particolare 6 anni prima Yashuiro Iwamura e alcuni colleghi del centro di ricerca della Mitsubishi cercarono una correlazione tra raggi X emessi da un catodo di Palladio e eccesso di calore con un apparato concettualmente simile a quello adottato dall’ENEA. Nella descrizione del loro sistema era indicato anche un rilevatore di 3He, anche se il report finale non riporta alcun dato sulle misurazioni effettuate con tale strumento. Il documento conclude che furono misurati raggi X e eccesso di calore, ma:

“The correlation between excess heat and x-rays has not been made clear under our experimental condition” e “We must investigate further to reach conclusions about the correlation between excess heat and nuclear products”

Non ci risulta che si ottennero mai queste conferme. Una analisi del documento (scaricabile da qui oppure al link: http://lenr-canr.org/acrobat/IwamuraYcorrelatio.pdf) mostra quanto poco consistente fossero le misure di eccesso di calore (dell’ordine del 2% per brevi periodi). L’emissione di raggi X risultò 9 ordini di grandezza inferiore all’attesa.


(Nota 6) Era certamente importante determinare il livello di caricamento del Palladio, ma occorre osservare che non vi è alcun motivo secondo la fisica nota per cui qualcosa debba cambiare quando tale rapporto dovesse raggiungere o superare un determinato valore.


(Nota 7) “Consequences of lattice expansive strain gradients on hydrogen loading in palladium” pubblicato dalla stessa De Ninno su Physical Review B 01-08-1997


(Nota 8) Durante il test di caricamento elettrochimico del Palladio con Idrogeno eseguito da GSVIT si evidenziò come al momento della interruzione dell’elettrolisi, l’Idrogeno cominciasse a gorgogliare violentemente dalla superficie del catodo. In quel caso la pressione all’interno della cavità di misura si ridusse molto lentamente, ma ciò era dovuto al fatto che il Palladio aveva spessore molto elevato (200 volte superiore a quello utilizzato dagli autori) e al fatto che l’Idrogeno contenuto nella cavità (non esistente nel catodo degli autori) costituiva un serbatoio che trasferiva Idrogeno nel Palladio man mano che Idrogeno usciva sul lato bagnato del catodo.


(Nota 9) La tesi, di ben 173 pagine, descrive un esperimento quasi identico, e utilizza una cella quasi uguale ma leggermente più piccola. Le differenze fondamentali rispetto all’esperimento dell’ENEA erano le seguenti:

  • a – non si fece la ricerca del 4He
  • b – la pista di Palladio, delle medesime dimensioni, era depositata su un substrato di vetro
  • c – le estremità del catodo erano collegate a un generatore ausiliario di corrente continua
  • d – non era presente la cella Peltier
  • e – non era presente fluido di termostatazione
  • f – la temperatura dell’elettrolita era misurata mediante una termoresistenza (PT100)
  • g – fu monitorata la temperatura del catodo mediante termocamera

I punti c – f – g meritano una spiegazione:

  • c – Per garantire l’esistenza di una ddp regolabile ai capi del catodo che permettesse di realizzare l'”effetto Preparata” allo scopo di aumentare al massimo possibile il caricamento, un secondo generatore di tensione era collegato ai capi della pista di Palladio, con il positivo collegato al negativo del generatore che alimentava la cella elettrolitica. Questo secondo generatore era assente nell’esperimento dell’ENEA nel quale la ddp ai capi della pista di Palladio era impressa dalla stessa corrente di elettrolisi applicata da un solo lato del catodo.
  • f – g – Nell’esperimento di Milano si utilizzò all’inizio solo una PT100 per controllare la temperatura dell’elettrolita e da essa dedurre la potenza erogata per naturale scambio termico del sistema verso l’ambiente. In seguito si aggiunse una termocamera, sfruttando il fatto che il substrato utilizzato per il catodo era di zaffiro trasparente alla radiazione infrarossa nel campo 3-5μm di lettura della termocamera. I due sistemi diedero gli stessi risultati e la termocamera non rilevò nulla di anomalo. Non è chiaro quindi perchè nelle conclusioni del Rapporto 41 si dica che il passo successivo della ricerca avrebbe dovuto prevedere l’adozione di una termocamera.

(Nota 10) Una dettagliata descrizione di caricamenti di fili di Palladio di 50µm di diametro a valori simili a quelli riportati dal gruppo della De Ninno sono riportati su un documento a titolo “Protocollo innovativo per l’iper-caricamento di catodi di Palladio con Idrogeno messo a punto all’ INFN di Frascati. Nuove prospettive per la Fusione Fredda” presentato nel 1998 al LXXXIV Congresso SIF a firma Marini, di Stefano, Celani, Spallone. Nella figura 6b di tale documento è riportata la curva della variazione della resistenza elettrica del filo che indicherebbe un caricamento fino a valori x > 1 e la curva di scaricamento completo. Le affermazioni, trattandosi di un filo e non di un deposito su substrato appaiono più convincenti. Il lunghissimo tempo di scaricamento (16 ore) sembra andare contro la nostra affermazione che il tempo di scaricamento del film utilizzato dal gruppo della De Ninno sarebbe stato di pochi minuti, ma come spiegato nel documento Marini, tale lunghissimo tempo derivava dal particolare elettrolita utilizzato nel suo protocollo, che, a detta dell’autore, avvelenava la superficie del catodo ostacolando la fuoriuscita del gas. Il documento è scaricabile qui oppure a questo link: http://www.lenr-canr.org/acrobat/MariniPprotocollo.pdf.


(Nota 11) Lo schema presenta qualche apparente stranezza (polarità invertita dell’amperometro “I cell”; contatti 7 e 2 del relè apparentemente inutili; resistenza di misura della corrente utilizzata per la misura della resistenza del catodo da soli 10.7 Ω), spiegabili però se si suppone sia stato utilizzato un sistema di raccolta dati con canali tra loro non elettricamente isolati e aventi una impedenza di ingresso non molto elevata.

Dovendo misurare la resistenza del catodo mediante una corrente continua senza che la misura sia alterata dalla conducibilità elettrica della soluzione elettrolitica è opportuno utilizzare la tensione più bassa possibile, in modo da impedire fenomeni elettrolitici (in pratica se si opera al di sotto di 0.2V l’alterazione della misura dovuta all’elettrolita è trascurabile come mostrato nell’appendice C). Una tensione di 0.2V applicata a un catodo con resistenza di 3 kΩ porta a una circolazione di corrente di 67 μA e la corrispondente tensione ai capi della resistenza da 10.7 Ω risulta essere di soli 700 μV. Il sistema adottato assomiglia a quello descritto nella già citata tesi dell’Università di Milano sebbene in quel caso, invece di un generatore di tensione, fu usato un generatore di corrente (150 μA). Nel documento a firma Marini citato in Nota 10 ritennero di risolvere il problema della misura della resistenza del catodo adottando una soluzione elettrolitica più diluita e effettuando la misura mediante un generatore di tensione alternata.

Abbiamo effettuato una semplice simulazione del circuito sulla base dei dati forniti, dividendo la cella in 10 parti. Per mantenere la differenza di tensione ai capi del catodo di 35V e una corrente di elettrolisi di 40mA come indicato dagli autori abbiamo dovuto utilizzare una resistenza di catodo di 1700 Ω, valore ragionevole se si considera una resistenza a catodo scarico di 1000 Ω come deducibile dalle dimensioni geometriche e un fattore di caricamento x = 0.9. Il valore di resistenza del bagno elettrolitico è stato fissato in 1000 Ω in base ai dati di conducibilità del bagno a 20°C e alla forma geometrica della cella, con valutazioni qualitative senza effettuare una simulazione elettrochimica, non possedendo il software necessario.   Nella figura sotto sono indicate correnti e tensioni nella cella. Da esse appare chiaro come gli autori siano riusciti ad applicare una consistente differenza di potenziale ai capi del catodo (con lo scopo di innescare l'”effetto Preparata”) utilizzando un solo generatore di corrente. Per contro è chiaro che questo sistema ha portato a caricamento non uniforme del catodo dando origine a probabili errori interpretativi da parte degli autori.

Simulazione

Simulazione

Correnti Elettrolisi

Correnti Elettrolisi

Correnti Catodo

Correnti Catodo

Tensioni

Tensioni

Dalla figure appare chiaro come il valore di tensione ai capi del catodo sia funzione della corrente di elettrolisi, della resistenza del catodo e della conducibilità del bagno. Non è chiaro quindi come gli autori siano riusciti a mantenere tale tensione assolutamente costante (35V) durante tutta la fase supercritica come appare in Figura 8 del documento dal momento che la resistenza del catodo durante questa fase si è dimezzata.


(Nota 12) Gli analizzatori di massa a quadrupolo sono molto diffusi grazie al loro basso costo e alle buone prestazioni. I modelli normali di minor costo non sono in grado di separare ioni con differenza di peso così piccola come lo ione dell’Elio 4 e lo ione del Deuterio, ma esistono modelli, detti ad alta risoluzione, che presentano prestazioni sufficienti. Per questo tipo di misura nei laboratori più attrezzati sono impiegati strumenti di qualità superiore utilizzanti un campo magnetico fisso generato da magneti superconduttori (FT-ICR), che però risultano molto costosi e ingombranti.


(Nota 13) In realtà in ascissa è riportato il rapporto tra peso atomico (in amu, cioè espresso, approssimativamente, come rapporto con il peso del protone) e la carica dell’elemento ionizzato. Per questo, molecole che possono presentare più livelli di ionizzazione danno origine a più righe. L’Argon in particolare dà origine alla riga corrispondente a amu = 40 quando difetta di un solo elettrone (Ar+) e corrispondente a amu = 20 quando difetta di 2 elettroni (Ar++) come visibile in Figura 4 del documento.


(Nota 14) Per separare i picchi relativi all’Elio e al Deuterio occorre uno strumento con potere risolutivo (definito come amu/Δamu) superiore a 200. Tale risoluzione è effettivamente raggiungibile da un semplice strumento a quadrupolo ad alta risoluzione. In Figura 4 del rapporto però i due picchi principali (relativi all’ 40Ar) appaiono stranamente larghi per uno strumento ad alta risoluzione. In base alla forma del picco nel riquadro ingrandito, la risoluzione dello strumento si può stimare essere circa 250, quindi sufficiente, seppure al limite. Occorre però ricordare che la risoluzione non ha nulla a che vedere con la esattezza della misura del valore amu che dipende dalla taratura delle ascisse dello strumento. Una taratura non corretta può generare un errore tale da portare a interpretare il picco relativo al Deuterio come picco relativo all’Elio.

Ci siamo recati presso un laboratorio di un istituto di ricerca accreditato (SSICA di Parma) dotato di molti analizzatori di massa di varie tipologie per verificare il normale stato di taratura di tali strumenti. In quel momento era in funzione un analizzatore GBC Optimass 9500 a tempo di volo ortogonale (TOF), la più recente famiglia di analizzatori di massa (inventata alla fine degli anni ’40, ma industrializzato e commercializzato solo a partire dal 2000) visibile in Figura 7.

Figura 7

Figura 7

Abbiamo chiesto alla responsabile di quel laboratorio di mostrarci lo stato di calibrazione delle ascisse (calibrate sull’Argon 40 ogni 6 mesi): l’errore era di 0.03 amu in difetto (Figura 8): se avessimo analizzato un gas contenente Deuterio, quello strumento avrebbe posizionato un picco proprio intorno a amu 4.00 e lo avremmo classificato come Elio 4.

Lo spettro presentato al computer dallo strumento appariva molto meno grossolano di quello mostrato dagli autori in Figura 4 del rapporto: i picchi apparivano come righe molto sottili e solo amplificando notevolmente l’immagine si notava la loro forma triangolare, la cui base aveva una larghezza di circa 0.05 amu. La responsabile ci ha spiegato che a parte la risoluzione dello strumento (che non è uniforme su tutto lo spettro di massa, come ci ha mostrato richiedendo alla macchina di visualizzare la risoluzione calcolata per ogni picco presente, risoluzione che sul picco dell’Argon era 1400), esiste un valore minimo di differenza amu identificabile indipendente dal peso atomico, detto potere risolvente e che per quello strumento era di circa 0.05 amu. Consideravano quindi quello strumento in grado di separare molecole la cui differenza di massa fosse maggiore di 0.1 amu (cioè quello strumento non era considerato in grado di separare sufficientemente i picchi relativi a Deuterio e Elio 4). Nel manuale dell’apparecchiatura si legge che la risoluzione tipica è 2000, ma l’errore sul valore amu è minore di 0.4 amu, cioè 20 volte superiore a quello massimo ammesso per riconoscere l’Elio dal Deuterio.

Figura 8

Figura 8


(Nota 15a) Il procedimento utilizzante i NEG era stato descritto un anno prima dell’inizio dei lavori su   “The use of a high-resolution quadrupole gas mass spectrometer system for selective detection of helium and deuterium” “(Christian Day  su Vacuum” 1998 /volume 51 / number 1/ page 21 ).


(Nota 15b) Gli stessi Autori del Rapporto 41 insieme a F. Scaramuzzi e C. Alessandrini presentano all’ ICCF8 nel 2000 un lavoro dal titolo: “A New Method Aimed at Detecting Small Amounts of Helium in a Gaseus Mixture” e l’anno successivo all’ ICCF9 gli Autori presentano un lavoro dal titolo: “Experimental Techniques for Dedtecting Small Quantities of  4He Gas: Problems and Solutions“. In quest’ultimo si afferma che è stata eliminata la pompa ad assorbimento criogenico e vi  si trovano già immagini  e parte del testo che verranno poi utilizzati nel Rapporto 41. In questi lavori, come nel Rapporto 41, non si fa cenno all’utilizzo di un doppio sistema NEG.

Sempre gli stessi Autori nel gennaio 2007 pubblicano su “Journal of Vacuum Science & Technology A” un articolo col titolo: “Quantitative detection of tiny amounts of helium isotopes in a hydrogen isotope atmosphere using a standard resolution quadrupole mass spectrometer“. Tale lavoro spiega come sia possibile utilizzare un analizzatore di massa a quadrupolo, persino a bassa risoluzione per misurare piccolissime quantità di Elio in una atmosfera di Deuterio grazie all’utilizzo di due NEG in serie, il primo dei quali del tipo Zr-V-Fe lavorante ad alta temperatura, il secondo del tipo Ti-V lavorante a temperatura ambiente e connesso direttamente con la camera di misura dell’analizzatore di massa. Questa configurazione, a detta degli Autori, consente di eliminare completamente il Deuterio presente, per cui ciò che si misura nei dintorni di amu 4 non può che essere Elio. Seppure non sia scritto in nessuna parte dell’articolo, gli Autori sembrano lasciare intendere che questa fosse anche la configurazione utilizzata durante i test effettuati 5 anni prima e descritti sul Rapporto 41. Questo sarebbe però in contraddizione con quanto indicato sullo stesso Rapporto 41, dove si parla di un singolo NEG, come chiaramente indicato in Figura 1 del documento.

Nello schema riportato in Figura 3 dell’articolo del 2007 si può vedere come sia presente il sistema di valvole che consente di immettere una quantità nota di Deuterio nella camera di misura, che è esattamente quanto abbiamo scritto poche pagine più sopra. Quindi se il sistema utilizzato nel 2001 era quello il cui schema è riportato nell’articolo del 2007, rimane inspiegabile perchè gli Autori non abbiano immesso una piccola quantità di Deuterio nella camera di misura per evidenziare i due picchi di Elio e Deuterio rendendo la misura incontestabile. Si noti come nella pubblicazione del 2007 tale metodologia sia documentata in Figura 8. Se questa configurazione a doppio NEG fu quella effettivamente utilizzata anche nel 2001, considerando che tale configurazione era innovativa, perchè gli Autori non l’hanno scritto chiaramente nè sul Rapporto 41, nè nella pubblicazione successiva?

Un’altra stranezza è rappresentata dalla Figura 10 dell’articolo del 2007: la figura è la stessa riportata col numero 4 sul Rapporto 41, ma la didascalia è diversa: quella del 2007 dice che si tratta di un campione di aria (nel testo si specifica prelevata all’esterno del laboratorio) fatta passare attraverso i due NEG, la didascalia del Rapporto 41 dice che si tratta di un campione di aria dalla quale si deduce come i (solo qui viene usato il plurale) NEG avevano estratto tutto il Deuterio: ma non è chiaro quale Deuterio avrebbero dovuto estrarre se era aria ambiente, che di Deuterio ne contiene una quantità talmente piccola da non poter essere misurata.


(Nota 16) Si noti che la Figura 9 del Rapporto 41 è relativa a un differente esperimento rispetto a quello cui fa riferimento la Figura 8, dato che in un caso la fase supercritica è stata raggiunta in meno di un’ora mentre nell’altro è stata raggiunta in quasi tre ore.


(Nota 17) Usiamo il termine Cella Peltier perché questo usano gli autori, ma riteniamo che potesse trattarsi di una Cella Seebeck, comunemente detta TEG, dal momento che la cella Peltier è progettata per spostare calore mediante energia elettrica, mentre la cella Seebeck, è progettata per generare energia elettrica mediante un flusso di calore, e per quanto molto simili e interscambiabili, nella realtà sono realizzate in modo leggermente diverso allo scopo di massimizzare il rendimento.


(Nota 18) La potenza introdotta sotto forma di potenza elettrica nella cella, trattandosi di corrente continua, è esprimibile come prodotto della tensione applicata (mai indicata dagli autori) per la corrente circolante. Dalla Figura 8 del rapporto e da quanto scritto nel testo si deduce che le condizioni tipiche durante la fase detta “supercritica” prevedevano una tensione certamente superiore a 35 Volt (la nostra simulazione riportata in Nota 11 indicherebbe più di 60V), dato che questa era la differenza di potenziale ai capi del catodo e una corrente di 40 mA, cui corrisponde una potenza elettrica di 1.4 W (circa 2.5W con la nostra simulazione).


(Nota 19) Stranamente il problema era stato ampiamente trattato nella già nominata tesi di laurea in fisica all’università di Milano nell’anno accademico 1999/2000. Gli autori della tesi avevano dedotto che questo fenomeno costituiva la principale fonte di errore nel calcolo della potenza erogata, per cui doveva essere esaminato con grande attenzione.


(Nota 20) Poiché ci è venuto il dubbio che gli autori pensassero che la cella Peltier non fosse in grado di misurare una forma di calore molto localizzata, abbiamo eseguito un semplice test visibile in questo breve filmato.

In esso si vede come due celle Peltier (utilizzate come TEG) poste in serie, anche se di dimensione diversa tra loro, sono in grado di rilevare fonti di calore applicate anche in un piccolo punto di una sola di esse.


(Nota 21) Anche il referee di una rivista cui era stato inviato il rapporto per la pubblicazione mise in dubbio la possibilità che il catodo immerso nell’elettrolita potesse aver raggiunto la temperatura di fusione. Emilio Del Giudice derise tale referee dicendo che evidentemente egli non sapeva che esistono i vulcani sottomarini e che si eseguono saldature anche sott’acqua. In realtà il referee aveva perfettamente ragione (come ha mostrato il nostro semplice calcolo e la nostra semplice dimostrazione descritta nell’Appendice A) ed era Del Giudice che non considerava che non si può paragonare un sistema come quello della cella ENEA con una saldatura ad arco eseguita sott’acqua. In quest’ultima si ha una potenza di alcuni kW concentrata in pochi mm3, mentre nell’esperienza ENEA la potenza è 100.000 volte inferiore. La lava dei vulcani sottomarini può a volte apparire in qualche punto rovente, ma, prescindendo dal fatto che il paragone è inappropriato a causa della enorme differenza di dimensioni, la conducibilità termica della lava è enormemente inferiore a quella del Palladio e nel caso della lava non esiste un substrato che assorbe calore per conduzione mentre lo scambio termico verso l’acqua è in gran parte ostacolato dallo strato di vapore che circonda la lava rovente.


(Nota 22) Se consideriamo un’area di 1 mm di raggio (3 x 10-6 m2) che scambia calore con l’elettrolita, possiamo stimare la sua temperatura media T1 che avrebbe dissipando 100 mW per sola convenzione verso l’elettrolita a temperatura T2. Considerando un prudenziale coefficiente di scambio termico convettivo pari a 500 W/m2K e trascurando il calore scambiato per conduzione verso la restante parte di catodo e di substrato, si ha:

                                               T1 – T2 = 0.1/(1000 x  3 x 10-6 ) = 66 °C

valore del tutto trascurabile rispetto ai supposti 1200 °C della zona calda.


(Nota 23) In pratica il sistema costituiva un calorimetro isoperibolico con rapporto di cattura del calore molto povero, dell’ordine di 0.3 – 0.4.

I calorimetri isoperibolici misurano la potenza termica emessa da un oggetto posto all’interno di una cavità utilizzando un grande numero di elementi termogeneratori (TEG) disposti su tutta la superficie della cavità, attraverso i quali il calore generato all’interno sfugge verso l’esterno. Gli elementi sono normalmente tutti collegati elettricamente in serie, in modo che ciascuno contribuisce a generare una differenza di potenziale proporzionale al flusso di calore che lo attraversa. La misura è molto poco influenzata dalla posizione ove il calore viene generato all’interno della cavità, a condizione che il calore sia effettivamente costretto a passare quasi unicamente attraverso i TEG. Il rapporto tra il calore che attraversa i TEG e quello totale (cioè quello che attraversa i TEG più quello che riesce a sfuggire senza attraversarli) è detto rapporto di cattura (o efficienza) e in un buon calorimetro vale almeno 0.9-0.95.

Nel caso in esame si può supporre che almeno il 60% del calore non attraversasse il TEG, cioè che il calorimetro allestito dagli autori avesse una efficienza minore del 40%.

I calorimetri isoperibolici sono per quanto possibile da evitare perché, contrariamente ai calorimetri a flusso, non danno una misura assoluta, ma la misura è possibile solo in base a calibrazione che determina il rapporto tra calore e tensione misurata, per cui un errore nella fase di calibrazione può falsare anche in modo notevole tutte le successive misurazioni. Il rischio aumenta grandemente se l’efficienza del calorimetro è bassa. La loro precisione inoltre è scarsa, soprattutto se il rapporto di cattura non è prossimo a 1. La loro semplicità li rende però molto utili in particolari situazioni, soprattutto quando la quantità di calore da misurare è molto piccola o quando occorre un tempo di risposta veloce e non è richiesta una elevata precisione. Grazie al fatto che presentano piccolissima deriva dello 0, sono molto utili nei casi in cui si debba misurare una quantità di calore molto piccola in assenza di calore di “bias”, che invece nel caso in esame è elevatissimo (più di 1 W di bias contro poche decine di mW da misurare).


(Nota 24) Se gli autori ritenevano che il calore in eccesso andasse ad elevare praticamente solo la temperatura dell’anodo posto sulla faccia opposta del contenitore rispetto a quella ove era posta la cella Peltier in modo tale che essa non lo rilevava (il calore da lì avrebbe raggiunto il disco raffreddato di ottone attraverso il contenitore di acciaio inossidabile “by-passando” la cella Peltier), avrebbero potuto porre una seconda cella Peltier dietro l’anodo o più semplicemente avrebbero potuto mantenere l’anodo scostato dal teflon sottostante mediante un sottile strato termicamente isolante (per esempio aerogel) in modo da limitare il flusso di calore verso il contenitore metallico: in questo modo l’anodo avrebbe contribuito al riscaldamento dell’elettrolita e la maggior parte del presunto calore in eccesso sarebbe stato catturato dalla cella Peltier.


(Nota 25) Per prova in bianco intendiamo un test nel quale è utilizzato lo stesso sistema utilizzato per i test reali, ma che, mediante una opportuna alterazione, certamente non sia in grado di erogare potenza in eccesso o 4He. Dal momento che gli autori hanno calibrato il “calorimetro” determinando il valore mW/mV generato dalla cella Peltier, certamente devono avere eseguito prove in bianco, ma purtroppo nel rapporto non c’è alcuna descrizione di tale procedimento. Dal momento che durante i test presso l’Università Statale di Milano si realizzò la calibrazione sostituendo il catodo di Palladio con uno in Oro, è ragionevole pensare che anche in questo caso gli autori abbiano seguito lo stesso procedimento. La sostituzione del catodo però rende indispensabile vuotare e aprire la cella, in più, dal momento che il catodo non è più lo stesso, non si può essere certi che i coefficienti di scambio (in particolare con la cella Peltier) siano esattamente gli stessi, per cui, a causa del basso fattore di cattura del calorimetro (vedi Nota 23), la calibrazione sarà soggetta ad un errore di difficile quantificazione.


(Nota 26) La tesi milanese riferisce in vari punti di frequenti e improvvise rotture della pista di Palladio a livelli di caricamento ancora talmente bassi da fare escludere ogni possibilità di innesco di fenomeni nucleari. Questo li spinse a migliorare l’adesione del Palladio al substrato (vetro) mediante un sottilissimo strato di Cromo depositato prima del Palladio. Ciononostante i fenomeni di interruzione non scomparvero completamente. A nostro parere lo strato di Cromo interposto tra il Palladio e il substrato migliorò la situazione non grazie a una migliore adesione del Cromo al substrato, ma principalmente grazie al fatto che il legame metallico instaurato tra Palladio e Cromo costituiva una barriera impenetrabile al Deuterio impedendo che Deuterio ad elevata pressione si frapponesse tra Palladio e substrato causando il distacco. La situazione era cioè analoga a quella realizzata da Paolo Marini (che utilizzò Mercurio) per mantenere carichi catodi filiformi di Palladio come descritto nella sua pubblicazione già citata.


(Nota 27) Anche supponendo che l’elettrolita si interponesse tra il Palladio e il substrato, lo scambio termico si sarebbe comunque ridotto drasticamente dal momento che la conducibilità termica dell’acqua e circa 50 volte inferiore a quella dell’allumina e nello spessore infinitesimo di liquido interposto non avvengono moti convettivi.


(Nota 28) GSVIT non attribuisce particolare attendibilità al cosidetto “effetto Preparata“, lo prende in considerazione in quanto citato ripetutamente dagli Autori del documento e unicamente come conseguente riferimento. GSVIT si occupa del tema partendo dall’analisi dei risultati sperimentali, dei resoconti, sulla base di ciò che viene rivendicato, mostrando dove si manifestano significative incongruenze. Va comunque detto che teorizzare:

a) un canale privilegiato di fusione DD → 4He + γ (da 23.8 MeV), cioè il canale notoriamente a più a bassa probabilità (range 10^-6) tra tutte le reazioni di fusione DD ordinarie (come anche gli stessi Autori riportano nell’Appendix A del documento, seppur attribuendo la scarsissima probabilità riferibile alle condizioni di fusione “in vacuo“)

b) che tale canale diventi l’unico possibile nel 100% degli eventi di fusione DD in questi test, cioè che non possa manifestarsi alcuna eccezione che determini anche una produzione di Trizio o di Neutroni

c) e che inoltre tutti i Gamma da 23,8 MeV (raggi altamente penetranti) generati dalle fusioni DD rimangano strettamente confinati nel sottile strato di Pd, per poi essere tutti “energeticamente ridotti” fino a divenire soft X-Rays

appare un insieme di ipotesi molto privilegiate, di per sè poco plausibili, ed inoltre niente affatto condivise dalla quasi totalità della comunità scientifica mondiale.

Si noti che nemmeno la radiazione X è stata cercata/misurata dagli Autori.


5 – Conclusioni

Il Rapporto 41, considerato da molti come un punto forte a dimostrazione dell’esistenza di fenomeni LENR, ci pare mostri parecchi punti deboli. La mancanza di correlazione tra la quantità di calore in eccesso misurato (praticamente assente) e la quantità di Elio misurato e l’assenza di qualsiasi misura di tipo nucleare sposta l’attendibilità della conclusione sulla sola misura dell’Elio generato. Ci pare di avere mostrato validi motivi per dubitare del fatto che ciò che gli Autori stavano misurando fosse realmente Elio ma che in realtà si trattasse di residui di Deuterio e di avere dimostrato che alcune affermazioni contenute nel Rapporto sono prive di fondamento, in particolare quelle che riguardano il perchè non si sia riusciti a misurare l’atteso eccesso di calore e quelle che tentano di spiegare le frequenti rotture multiple dei catodi. A nostro avviso le conclusioni tratte dagli Autori sono basate su risultati decisamente dubbi.

Sebbene in genere GSVIT non esprima valutazioni al di fuori dal campo strettamente scientifico, ci pare in questo caso di poter suggerire una nostra interpretazione del comportamento del prof. Rubbia il quale aveva voluto questo esperimento al punto che, come raccontano gli stessi Autori, partecipò personalmente a riunioni e tracciò di suo pugno alcuni dei diagrammi riportati sul Rapporto ma che successivamente interruppe ogni rapporto con gli Autori prima della pubblicazione del Rapporto stesso, dopo i rifiuti alla pubblicazione da parte delle varie riviste cui il lavoro era stato inviato.
A nostro parere il Prof. Rubbia si rese conto, a seguito delle valutazioni dei referees delle varie riviste, che il Rapporto 41 era “fragile” in svariati punti e probabilmente decise semplicemente di cessare la collaborazione prendendo le distanze dal lavoro (ricordiamo che al momento della pubblicazione gli Autori decisero di omettere il suo nome dall’elenco degli Autori, citandolo solo nei ringraziamenti). Siamo convinti che se il Prof. Rubbia avesse potuto mostrare un Rapporto inoppugnabile lo avrebbe senz’altro sostenuto con convinzione.


Appendice A

Verifica sperimentale della possibilità di arroventare un sottile filo metallico immerso in acqua.

Abbiamo voluto verificare la credibilità dell’affermazione degli autori secondo la quale la sottile pista di Palladio costituente il catodo si sarebbe portato a temperature molto elevate, tali da emettere calore principalmente per irraggiamento, fino alla fine a fondersi (1550°C).

Per fare questo, dopo avere eliminata l’ampolla di una comune lampadina, abbiamo sostituito il suo filamento inadatto perché a forma di strettissima spirale, con una filo in costantana da 80 μm di diametro e della lunghezza di 10 mm come si vede in Figura A1. Il filo aveva dimensione superiore ai 50 μm del deposito di palladio utilizzato dagli autori, ma in compenso non aderiva ad alcun substrato in grado di asportare calore. In ogni caso l’esperimento ha avuto solo lo scopo di visualizzare qual è il reale comportamento di fili sottili in queste condizioni.

Figura A1

Figura A1

In Figura A2 è visibile il filo arroventato in aria (temperatura stimata = 600 °C) con una potenza elettrica pari a 2.5W. Il filamento è poi stato tenuto immerso in acqua mentre si aumentava progressivamente la potenza applicata. Come si vede in Figura A3, si è giunti a una potenza di 59 W senza che il filo riuscisse ad arroventarsi, poi, aumentando ulteriormente la corrente, come visualizzato in Figura A4  il filo si è interrotto senza mai raggiungere in nessun punto il colore rosso.

Figura A2

Figura A2

Figura A3

Figura A3

Figura A4

Figura A4

Il semplice esperimento dimostra che l’elevato scambio termico con l’acqua permette di mantenere la temperatura di un filo sottile riscaldato elettricamente ben al disotto della temperatura di fusione pur dissipando una potenza molto elevata (60W su soli 10mm), enormemente superiore ai 250 mW supposti dagli autori. L’esperimento inoltre dimostra che l’interruzione del filo in questi casi non è dovuto a una vera e propria fusione (non si è mai raggiunto nemmeno il color rosso, mentre la constantana alla temperatura di fusione emette luce bianca), ma a fenomeni probabilmente riconducibili alla elettromigrazione, che si manifestano in maniera evidente quando si opera con densità di corrente di molte centinaia di ampere al mm2 (chiunque ha esperienza in campo elettronico conosce i problemi di inrush current in resistori a thin-film metallico). La densità di corrente che ha causato in pochi secondi la rottura del filo nel nostro semplice esperimento era di circa 1000 A/mm2 . La densità di corrente che dopo molti minuti (forse alcune ore) ha causato la rottura del film di Palladio descritto dagli autori era inferiore ma non di molto, circa 400 A/mm2.


Appendice B

Verifica sperimentale della possibilità di realizzare un efficiente calorimetro isoperibolico.

Sebbene gli autori non menzionino né nel testo né negli schemi il fatto che la faccia fredda della cella Peltier fosse a contatto con una superficie termostatata, riteniamo che così dovesse essere. I motivi per ritenerlo sono fondamentalmente due:

  • 1 – Nella figura  2a del documento si notano due tubi collegati alla piastra che sorregge la cella, che riteniamo essere i tubi di ingresso e uscita del fluido di termostatazione.
  • 2 – Se così non fosse, la temperatura della cella avrebbe risentito fortemente del calore introdotto rendendo praticamente impossibile la misura dell’eventuale piccolo calore in eccesso.

Infatti la cella era stata introdotta in un vessel sotto vuoto spinto (gli autori dichiarano addirittura un UHV che significa una pressione residua inferiore a 10-5 Pa, cioè 10-10 bar) eliminando praticamente qualsiasi possibilità di scambio termico per convezione (μW). Se la cella Peltier non fosse stata affacciata a una superficie termostatata, gli unici scambi termici possibili con l’ambiente esterno sarebbero stati quello per irraggiamento e quello per conduzione attraverso i cavi e le varie tubazioni.

Possiamo stimare la temperatura che avrebbe raggiunto la cella nel caso che tutto il calore introdotto fosse stato scambiato per solo irraggiamento. Consideriamo in base alle fotografie i seguenti dati:

  • – superficie esterna cella = 300 cm2
  • – emissività (acciaio inossidabile lucido) = 0.5
  • – emissività superficie interna vessel = 1 (cautelativo)
  • – temperatura di termostatazione = 25°C = 298 K
  • – potenza introdotta = 1.5W

Possiamo scrivere, per la legge di Stefan – Boltzmann:

1.5 = 5.7 x 10-8 x 300 x 10-4 x 0.5 x [T4 – (298)4]

da cui si ottiene T = 313.3 K = 40.3°C

Possiamo stimare la temperatura che avrebbe raggiunto la cella nel caso che tutto il calore introdotto fosse stato scambiato per sola conduzione attraverso i tubi di collegamento. Consideriamo in base alle fotografie i seguenti dati:

  • – diametro tubi = 10mm
  • – materiale tubi: acciaio inossidabile
  • – lunghezza media tubi tra la cella e il coperchio del vessel: 100mm
  • – numero di tubi: 3
  • – potenza introdotta = 1.5W

Si suppone inoltre lo spessore dei tubi = 1mm (spessore tipico per queste applicazioni), per cui la sezione vale 28 mm2.Poichè la conducibilità termica dell’acciaio inox vale  17 W/m°C, possiamo scrivere:

1.5 =  17 x 28 x 10-6 x 3 x (T – 298) / 0.1

da cui si ottiene T = 403 K = 130°C

Come si vede nelle condizioni descritte quasi tutto il calore sarebbe stato scambiato per irraggiamento e la temperatura della cella in condizioni stazionarie sarebbe stata di circa 40°C. Se questa fosse stata la situazione non avrebbe avuto senso termostatare l’ambiente esterno al vessel con la precisione del centesimo di grado. Tra l’altro occorre notare che il sistema avrebbe raggiunto le condizioni stazionarie in un tempo lunghissimo avendo una costante di tempo dell’ordine di un’ora, mentre gli autori dichiarano un “tempo di risposta” di 5 minuti.

Dobbiamo quindi supporre che il sistema costituisse una sorta di calorimetro isoperibolico ove solo la faccia della cella in prossimità del catodo era posta in contatto con una cella Peltier mantenuta termostatata sull’altra faccia. In queste condizioni correttamente la temperatura dell’intera cella elettrolitica era molto prossima a quella di termostatazione, ma solo una piccola parte del calore introdotto (o generato) poteva fluire attraverso la cella Peltier e essere così misurato. In Figura B1 abbiamo riportato come era approssimativamente la situazione in base alla descrizione e alle fotografie disponibili. In Figura B2 abbiamo disegnato come invece sarebbe dovuto essere realizzato il sistema.

Figura B1

Figura B1

Figura B2

Figura B2

Come si vede la costruzione sarebbe risultata addirittura più semplice. Il rapporto di cattura che nella realizzazione degli autori è stimabile in circa 0.4, sarebbe stato almeno 0.9. Nella situazione di Figura B2 infatti il calore che non attraversa le celle Peltier è solo quello trasmesso per irraggiamento e per conduzione attraverso i tubi e i collegamenti elettrici.

Mentre il calore scambiato per conduzione attraverso tubi e collegamenti, come mostrato in precedenza, è trascurabile, possiamo verificare che nella situazione di Figura B2 anche il calore ceduto per irraggiamento sarebbe stato molto piccolo e conseguentemente il rapporto di cattura del calorimetro sarebbe stato molto buono e avrebbe permesso una misura della potenza immessa (generata) attendibile.

Per fare questo si è allestito un semplice esperimento come mostrato in Figura B3.

Figura B3

Figura B3

Una cella Peltier commerciale (30x30mm, RS 490-1367) è stata posizionata con una faccia su un radiatore in alluminio in stretto contatto termico mediante pasta conduttiva. Il radiatore è stato immerso in acqua (2 litri) ricoperta da uno strato di olio (100cc) per evitare evaporazione. Una resistenza corazzata da 10 ohm è stata posizionata sulla faccia libera della cella. La resistenza è stata poi sommariamente coibentata per ridurre la potenza dissipata in aria. Un tester visualizzava la tensione in uscita dalla cella. Una termocoppia è stata posizionata in stretto contatto termico mediante pasta conduttiva con la corazza in alluminio della resistenza nel punto più vicino alla cella Peltier.

Il sistema è stato lasciato a riposo per 2 ore per permettere l’uniformarsi della temperatura (T0). La tensione erogata dalla cella Peltier minore di 0.1 mV indicava che la stabilizzazione era effettivamente raggiunta.

Figura B4

Figura B4

In queste condizioni si è alimentata la resistenza mediante un alimentatore stabilizzato, con una corrente di 0.33A in modo da avere una dissipazione P1 = 1W (Figura B4). Si è lasciata stabilizzare la temperatura letta (T1) e la tensione erogata dalla cella (V1) (Figura B5).

A questo punto si è inserito tra la resistenza e la cella Peltier un sottile strato di isolante termico (5mm di polistirolo ad alta densità, λ = 0.03 W/mK Figura B6), senza alterare il valore di uscita dell’alimentatore. Si è lasciata stabilizzare la temperatura letta (T2) e la tensione erogata dalla cella (V2) (Figura B7).

Figura B5

Figura B5

Figura B6

Figura B6

Figura B7

Figura B7

Si è verificato che la temperatura dell’acqua non fosse cambiata (<0.1°C), poi per controllo si è ridotta la tensione erogata dall’alimentatore, fino a trovare il valore di potenza P2 che riportava la temperatura della resistenza a un valore molto vicino al valore T1 (Figura B8).

Figura B8

Figura B8

Si è ottenuto:

  • T0 = 22.3°C
  • V0 = 0.1 mV
  • T1 = 26.3°C
  • V1 = 126.4 mV
  • T2 = 37.4°C
  • V2 = 14.9 mV
  • P2 = 0.256W

Questi dati ci permettono di determinare in due modi il valore di resistenza termica della cella Peltier da noi utilizzata. Detta Ri la resistenza termica dell’isolante interposto tra resistenza elettrica e cella Peltier; Ra la resistenza termica verso l’aria; Rp la resistenza termica della cella Peltier, considerando la composizione serie/parallelo delle resistenze termiche, con semplici calcoli, dalle prime due misure si ottiene:

  • Ra = 16.4 °C/W
  • Ri = 185 °C/W
  • Rp = 5.3 °C/W.

Utilizzando invece la prima e la terza misura si ottiene Rp = 5.4 °C/W con ottimo accordo.

A questo punto possiamo asserire che se gli autori avessero adottato il setup indicato in Figura B2, la superficie delle celle Peltier sarebbe stata almeno 4 volte superiore a quella della cella da noi utilizzata e la relativa resistenza termica sarebbe stata di circa 1.5°C/W.

Quindi la temperatura dell’intera cella (che date le dimensioni e il materiale utilizzato sarebbe stata praticamente isoterma), dovendo dissipare una potenza di circa 1.5 W, sarebbe stata di circa 2 °C superiore alla temperatura di termostatazione. E semplice calcolare che in queste condizioni il calore ceduto per irraggiamento sarebbe stato circa 150 mW (che si poteva ridurre di 5 volte rivestendo la cella con comune foglio di alluminio che ha emissività circa 5 volte inferiore a quella dell’acciaio inox), garantendo un fattore di cattura del calorimetro isoperibolico superiore a 0.9.

La cella Peltier da noi utilizzata erogava 126.4 mV mentre era attraversata da circa 750 mW termici, per cui il suo segnale, alla temperatura del test, era di 5.9 mW/mV. Gli autori dichiarano per il loro sistema 17.3 mW/mV: se si suppone che la loro cella fosse simile come prestazioni a quella da noi utilizzata, si ricava un rapporto di cattura del loro calorimetro pari a 0.34 che conferma le pessime prestazioni che avevamo dedotto in base alla sua errata costruzione.


Appendice C

Verifica sperimentale dell’influenza della tensione utilizzata per la misura della resistenza del catodo.

Abbiamo verificato come l’utilizzo di una tensione molto bassa (tipicamente 0.2 V) permetta una corretta misura della resistenza di un catodo immerso in una soluzione elettrolitica. Si noti che la maggior parte dei multimetri in commercio permette di effettuare la misura di resistenza a questi livelli di tensione (il sistema, detto comunemente “Low – Ohm”, permette la misura di resistenze montate su circuiti stampati e connesse a giunzioni a semiconduttore senza che la misura venga alterata da correnti circolanti nelle giunzioni).

Per effettuare il test abbiamo utilizzato una normale lampadina da 25W cui è stato tolto il bulbo in vetro e a cui è stato accorciato il filamento in modo da poter eliminare i sostegni metallici intermedi e renderlo più rigido.

La misura della resistenza in aria ha evidenziato come la resistenza aumenti all’aumentare della tensione utilizzata per la misura a causa dell’aumento della temperatura del filamento stesso man mano che aumenta la potenza dissipata. Il valore misurato con tensione di 0.3V, pari a 34.5 Ω come visibile in Figura C1, è molto simile a quello misurato da un multimetro, dato che la potenza dissipata in queste condizioni è di soli 2.5 mW e la temperatura del filamento rimane praticamente quella ambiente (20°C). La misura a 3V è pari a 60.8 Ω, come visibile in Figura C2, valore molto più alto a causa dell’innalzamento di temperatura causato dalla notevole potenza dissipata (150 mW).

Figura C1

Figura C1

Figura C2

Figura C2

Si è poi immerso il filamento in una soluzione satura di bicarbonato di sodio a 22.5°C come visibile in Figura C3 (il grosso induttore serviva unicamente come sostegno per il portalampade) e si è effettuata la misura di resistenza a 0.3V, 3V e 5V.

Figura C3

Figura C3

Come si vede in Figura C4 il valore misurato a 0.3V è praticamente uguale a quello misurato in aria, mentre il valore misurato a 3V (Figura C4) è circa il 10% più basso a causa del fatto che a questo livello di tensione i fenomeni elettrolitici sono già importanti. Il fenomeno è ancora più evidente se si alza la tensione a 5V (Figura C5), con una riduzione del valore letto della resistenza del 20%.

Figura C4

Figura C4

Figura C5

Figura C5

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A replica hypothesis for Rossi’s E-Cat: Method to simulate an apparent self-sustained system or COP>1

Revision 1: 25/06/2016

Abstract
This article describes a system that is able to provide a possible conventional explanation (not necessarily the only one) about the “self-sustained” phenomenon observed in the E-Cat steam-generator. During a few tests performed on the above-mentioned E-Cat system an anomalous water steam production was reported and confirmed by a number of observers.

The proposed system also allows explaining:

  • How a steam generator is able to produce overheated steam in unusual stable manner
  • How in the self-sustained regime (input power switched off) for a short period the quantity of steam produced does not undergo any considerable reduction and a steam temperature increase  can even be detected
  • How, without further modifications, with a joint production of a small amount of steam and [mostly] water in liquid form at 100°C it is possible to measure an apparent output power to input power ratio (commonly defined as COP) equal to 7

As the article is only a case study, the system dimensions are not considered critical, as dimensions of the real E-Cat changed several times during the years.

Working principle
The working principle of the system is described as follows:  the electrical resistance does not heat directly the water mass contained into the generator chamber, but only via a mass of high thermal capacity; the water mass receives the thermal energy through the insulating layer surrounding the thermal mass. Once the system reaches the steady state regime, the insulation layer allows to maintain the thermal mass at high temperature,  in the order of 700-1000°C, and the outer surface of the insulating layer at a temperature slightly higher  than 100°C.

Description
In Figure 1 the drawing section of the steam generator system is shown.

Figura 1

Figure 1

Figure 1 shows the drawing section of the steam generator system. The system dimensions are shown and are not considered critical the goal being only to demonstrate the possibility to have an apparently  self-sustaining set-up.

In the figure, the following elements appear:

  1. External system housing (AISI304)
  2. water inlet pipe
  3. steam outlet pipe
  4. thermal mass (AISI304)
  5. electrical cartridge heating elements, (n. 4 450W each)
  6. thermal insulation (kaolin wool)
  7. thermal mass housing (AISI304)
  8. input power supply cable
  9. aluminum fin heat exchanger (PFHE)
  10. temperature probe

If we consider a system with a square section fully filled chamber contains 14 liters of water, whereas  in the case that the chamber is filled just until the level indicated in the drawing it contains about 8 liters of water. The thermal mass of [200]x[200]x[20] mm is about 6.5 kg.

Dimensioning
As an example, in steady state regime, a 1800 W electrical input power of, in absence of anomalous phenomena, produces about 3 kg/h of steam. To provide an indication, in the following link a small video related to a steam jet of 7 kg/h slightly overheated is shown:

When the electrical resistances are switched off for a short period, the heat accumulated into the thermal mass maintains the system in apparent constant thermal power supply; then the mass will cool down (continuing to supply approximately 1800W, without receiving any energy by the electrical resistances).
The evolution of the system temperature T is described by the energy balance of thermal mass:

where m is the thermal mass, cp the specific heat, h the heat transfer coefficient and  A the exchange surface.

The solution is:

It is easily seen that we can model the cooling phase to a RC circuit, where:

  • the heat capacity is equivalent to the capacitor
  • the thermal resistance is equivalent to electrical resistance
  • the heat is equivalent to the electric charge
  • the temperature is equivalent to the voltage

The thermal resistance R can be assumed constant under the following assumptions: constant water level inside the steam generator and heat transfer coefficient weakly dependent on temperature.

Assuming the thermal mass made of 6.5 kg stainless steel , a 900°C initial temperature and the system in equilibrium (steam produced equivalent to a power of 1800W or 1550 kcal/h), the thermal capacity of the mass is estimated to be:

C = 0.12 * 6.5 = 0.78 kcal/°C

where 0.12 kcal/kg °C is the specific heat of stainless steel.

The thermal mass temperature in the cooling phase is described by the following equation:

T(t) = TL + ΔT0 * e-(t/RC)

where R is the thermal resistance, between the mass and boiling water, and C the thermal capacity (0.78 kcal/°C = 3260 J/°C); TL is the asymptotic temperature (when time goes to infinity), in this case 100°C.
The thermal resistance is equal to:

R = (900-100)/1550 = 0.51 h°C/kcal

During the self-sustained phase, the thermal mass temperature evolution  vs. time is:

T(t) = 100 + 800 * e-[t / (0.51 x 0.78)]

and after 30 minutes (0.5 hours) the temperature is:

T(t) = 100 + 800 * e -(0.5 / 0.40) = 330°C

The quantity of steam produced after 30 minutes is:

Q = Q(0) * (330 – 100) / (900-100) = 0.28 * Q(0)

This simply means that, after 30 minutes,  the system is still producing overheated steam, altough with a throughput reduced to about a quarter of  the initial one, a quantity, however, not negligible.
Based on the previously calculated thermal resistance, assuming negligible the thermal resistance between the outer surface of the housing and the water mass, the thickness of the insulation required between the mass and the housing can be approximately estimated.
Assuming the housing surface of 0.12 m2 and the insulation made of pressed kaolin-wool (with an average thermal conductivity λ = 0.1 W/m°C in the temperature range 100 to 900 °C ), the thickness turns out to be:

s = λ * S * ΔT / P = 0.1 * 0.12 * 800 / 1800 = 0.0053m = 5.3mm

where s = thickness; P = power; λ = thermal conductivity; S = surface and ΔT = temperature difference.

Temperature of the housing box
The thermal mass is at a high temperature, while the housing box (indicated by 7 in Figure 1) is at a much lower temperature thanks to the thermal insulation layer (indicated with 6 in Figure 1) and the high heat transfer coefficient with the surrounding water.

It is worth to distinguish between the housing parts in contact with water and the housing top cover in thermal contact with the aluminum plate-fin heat exchanger (PFHE).

Assuming that the water level is just at the base of the PFHE, considering the following diagram (extracted from F. Kreith – Principles of heat transfer), the temperature of the housing surface in contact with water can be estimated, without performing  complex calculations on convective heat transfer.

 

Figura 2

Figure 2

 

The bottom and laterals surfaces of the housing box are about  2/3 of the overall surface. Since the cross heat transfer of the walls is negligible, it can be assumed that 2/3 of the thermal power (1200 W) is transferred to water by a surface of 0.08 m2. The heat flux through that surface is 15,000 W/m2 or 13,000 kcal/hm2; considering the diagram previously shown  it is possible to deduce that the boiling phenomenon is in pure convective zone or at most in the top of nuclei boiling zone. Nevertheless, the temperature difference between the water mass (100°C) and the housing surfaces is extremely low, definitely less than 5°C.

As before mentioned, the case of the top housing box in contact with aluminum PFHE is different. Assuming that the PFHE exchanges heat only with steam (water level just below the PFHE) the remaining power of 600W is transferred only to the steam mass. Considering a steam production of about 2 kg/h, even assuming the exchange surface extremely high, the temperature of PFHE and overheated steam is:

T = 100 + 600 * 0.86 / (2 x 0.46) = 660 °C

being the specific heat of steam about  0.46 kcal/kg°C in the operating conditions.

In order to maintain the temperature of the PFHE below a critical level, it is necessary that part of the heat be exchanged with water as well. Therefore, the PFTE must be partially covered with water. In this way, the PFTE temperature can be controlled in the range of 110-115°C, with the aim to produce overheated  steam. It is worth to notice that by a common thermal-controller it would be possible to set simultaneously the output temperature of overheated steam and water level into chamber, as it will be further explained in details in the next paragraphs.

Output temperature of steam
The output steam temperature is a point that caused many debates inside the community. A number of observers, present during the test, claimed that the steam temperature was higher than 100°C and stated that the temperature measurement was performed at atmospheric pressure; according to the above, the conclusion is that the system produced overheated steam. Part of the technical community challenged this statement, because an overheated steam generator would be extremely unstable: a small variation in water flow rate or in the input power (or hypothetically in an internal exothermic  reaction) would affect strongly the output steam temperature; although the observers stated that the system was very stable.

The system proposed in this document enables to produce overheated steam in a very stable manner, this is thanks to the presence of a plate-fin heat exchanger (PFHE), indicated by 9 in Figure 1, located on the top of the heating chamber and only partially covered from water. The PFHE model used is assumed to be Elbomec S-220 type. The steam, released from the water interface, is overheated passing through the PFHE; the steam temperature depends on the steam mass flow rate and the PFHE area . Considering the large area of the PFHE surface and the reduced quantity of produced  steam, the PFHE temperatures and the output steam are very close each other.

In self-sustaining regime, the resistances are switched off, while maintaining the water pump running, and a slow decreasing of steam temperature is expected. Actually, in case a thermostat controls the water level, the steam temperature will stay constant for long period, as shown in the “Dimensioning” part: what will decrease with time is only the steam production. It is worth to notice that increasing the set point in the thermostat (manual or automatic) could even simulate an increase of the output steam temperature.

Water level control
The water level into chamber is fundamental  for to get a proper  simulation of a “self-sustaining” phase. A too low water level could overheat the aluminum plate-fin heat exchanger (PFEH). Conversely, a too high water level can cooling the PFEH too much, thus reducing the steam output temperature that, in this case, would be no longer overheated.

As already mentioned, the water level may be controlled by a level sensor, anyway a start/stop feedback controller on a fix temperature set-point of the outlet steam (typically 110 ° C) appears to be a simple and perfectly working control method. In this case, in order to avoid dangerous overheating during the heating start-up phase, it is necessary to fill the chamber until the water reaches the thermal mass housing bottom.

To prove that the proposed regulation method is easy to implement and able to maintain stable water level and temperature, the reaction time of such control system is estimated below.

Assuming that the water level drops below the aluminum plate-fin heat exchanger, temperature starts to increase as a result of the input thermal power of about 600W received from the insulating material that separates the thermal mass.  In this condition, the PFHE transfer a very small heat to the surrounding steam (assuming the output steam temperature of 110°C the estimated thermal exchanged power is approximately 30W). The mass of the PFHE is about 3kg, the specific heat of aluminum is of 0.24 kcal/kg°C; the temperature-increasing rate of the aluminum PFHE is approximately:

ΔT / t = 600 * 0.86 / 3 * 0.24 = 716 °C/h = 0.2 °C/s

This means that, a control system having a reaction time less than 5 seconds would cause temperature fluctuations of 1°C. A normal ON/OFF controller on the pump, with feedback signal from the output steam temperature (110 °C), can be easily used.

Steady state time
The time to achieve a steady state is certainly increased by the thermal mass. However, contrarily to what can be assumed, most likely not all the water inside the generator is at 100°C; as a consequence, the energy transferred to the thermal mass is partially compensated by the fact that only a part of the water is heated.

The heater is located in the upper part of the steam generator, contrary to what happens in a common boiler, which is heated from the bottom.  In a boiler, the water shows an almost uniform temperature due to the internal convective flow; while, in the described system, convective flows  are practically absent and the only stirring effect is caused by the small steam bubbles developed on the external parts of the thermal mass housing. From the Figure 2 one can be deduce that boiling is practically absent in the liquid bulk  and mainly located in the surface contacting the housing; it is plausible to conclude that the water at the bottom of the generator chamber remains at a temperature not much higher than the input one.

The steady states time can be estimated considering the total energy required to get the thermal mass at 900°C and to bring to 100°C a portion of water, assumed to be of 4 liters.

The description of  a system in a dynamic regime requires rigorous calculations and it is very complex, so only a rough estimation is showed below:

  • Energy supplied to thermal mass = 6.5 * 900 * 0.12 = 700 kcal
  • Energy supplied to water = 4 * 80 = 320 kcal
  • Total energy supplied = 700 + 320 = 1020 kcal
  • Time to provide such energy = 1020/ (1800 * 0.86) = 0.65 h = 40 minutes

Considering that in the meanwhile, the energy is being transferred to the developed steam, it is possible to conclude that the system achieve approximately the steady state regime after about  1 hour (it is necessary to clarify that in theory the steady state is achieved at infinite time). The steam production instead will start well before, as soon as the external housing surface exceed 100°C.

System stability
Contrary to what might be expected, a stable production of overheated steam could therefore be possible, even considering fluctuations of either input power or water flow rate.

For example, a sudden 10% decrease of power, from 1800W to 1600W, is analyzed (similar approach can be applied to increasing power). The temperature-decreasing rate of the thermal mass is:

dT/dt = ΔP / C = (1800 – 1600) / 3260 = 0.06 °C/s = 3.6 °C/minute

Therefore, to reduce by  50°C the thermal mass temperature, a 15 minutes are required; such a  temperature drop is negligible compared to the initial 900°C temperature and would cause an output steam temperature variation of less than 1°C.

Now a pump breakdown is analyzed. In this case, as previously shown the temperature of the aluminum plate-fin heat exchanger increases with a rate of 0.2°C/s and could achieve a critical temperature of 300°C after 15 minutes. However,  the temperature of the thermal mass would decrease as well,  and considering that, in this condition, the heat exchange with the steam (which would be highly overheated) would be very important, it can be said that the system would cool down without any part reaching temperatures able to cause damages.

In conclusion, the system can be controlled easily and by hands, without any fast feedback loop.

Simulation of COP = 7
The described system is able to simulate an output thermal power 7 times higher than the input power (COP = 7).

Assuming a system in steady state regime and the 25°C temperature for inlet water is, the about  3 kg/h of slightly overheated steam can be produced. Let us now assume to increase 6 times the water flow rate , up to 18 l/h.

The heat required  to bring the water at boiling temperature (100 °C) is:

Q = 18 * (100 – 25) = 1350 kcal/h = 1570W

Since the supplied input power is 1800 W, it is sufficient to bring the water at boiling and further to produce a small amount of steam (in absence of thermal dissipation the steam production is estimated to be 0.4 kg/h).

The main point is that most of the inlet water is not vaporized, but flows out from the output pipe (3 in Figure 1) at a temperature of 100°C.

In these conditions, a temperature probe introduced in the upper part of the steam generator chamber would measure a value of 100°C or slightly higher, giving the wrong impression that the system is producing steam in large quantities while in reality only water at 100°C is flowing out.

According to what has been said above, the output thermal power can be [wrongly] estimated based on the following (1800W input power):

Q = 18 * (75 + 545) = 11160 kcal/h = 12970 W

Apparently a value equal to a COP = 7.

As already mentioned, in the described system, temperature and level controls are not required, being sufficient to provide a constant input pump flow rate of about 18 l/h. A small reduction of the flow rate would not have any relevant effect as  the system would continue to work properly, only showing a slightly reduced apparent COP, since more steam is produced. On the contrary, increasing the water flow rate, more than 5%, could cool  the water below 100°C, a decreasing that for example was observed in the following Report that refers to a test executed in Jan ’11 (screen shot of collected data), as shown in Figure 3.

Figura 3

Figure 3

It is worth to notice how it would be enough to extend the outlet pipe in the steam generator chamber roughly until the water level, as shown in fig 4, to obtain an apparent steam production with a COP = 7 and simultaneously to measure a much higher temperature than 100°C into the chamber.

Figura 4

Figure 4

In this configuration during the self-sustained phase the aluminum plate-fin heat exchanger would remain partially not covered from water, as consequence it could achieve a temperature higher than 100°C allowing to overheat the small quantity of steam produced.

Heating resistors
The only critical commercial component of the system is the heating resistance;  in fact, this element has to work at very high temperatures and therefore with a high risk of failure due to local overheating.

In Figure 1 cartridge heater elements appropriate for this application are shown. The most common electrical resistances available in the market are able to operate with a surface temperature up to 750°C and a surface power density of 50W/cm2, but specific models can operate continuously over 1000°C (e.g. cartridge heaters made of boron nitride from TRE C co. Segrate (MI); 12.5, 14 and 16 mm standard diameters are available).

In the drawing n. 4 resistors, each 450 W of power, 12.5mm diameter and 200 mm long are indicated. The surface power density is less than 6 W/cm2, which is almost 10 times less than the maximum allowable. This over-sizing allows operating with isolated resistors (made in boron nitride) at extremely high surface temperatures, even considerably higher than 1000°C and guarantees that in each point of the stainless steel  block the temperature is almost identical to the surface of the heater elements. In fact, considering the dimensions shown in Figure 1 and that the thermal conductivity of stainless steel is about 17 W/m°C, the maximum temperature difference estimated in the block of stainless steel is in the order of +/- 30°C, thus negligible compared to the 900°C operating  temperature.

Conclusion
The system described in this article could explain an apparent over-unity COP or the ability to continue to supply overheated steam at the output even though the input power supply is switched off (self-sustaining mode), without requiring anomalous internal exothermic reactions.

P.S. Thanks for flagging typos.
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Come è possibile spiegare il COP apparente>1 o “l’autosostentamento” dell’E-Cat

Stesura del Report in data: 13/06/2016
Revisione 1 in data: 25/06/2016

Premessa
In questo articolo si descrive un sistema che può fornire una possibile spiegazione convenzionale (non l’unica) del fenomeno di “autosostentamento” descritto da alcuni osservatori in riferimento ai test effettuati sul generatore di vapore denominato E-Cat. Il sistema mostra come il generatore possa erogare vapore surriscaldato in modo “stranamente” stabile e come sia possibile che al momento dello spegnimento dell’alimentazione elettrica (inizio autosostentamento) la produzione non si arresti ed anzi, per un certo periodo, tenda ad aumentare la temperatura del vapore. Inoltre lo stesso sistema, senza alcuna modifica, può erogare contemporaneamente una piccola quantità di vapore mentre la quasi totalità dell’acqua in ingresso raggiunge l’uscita ancora in fase liquida, da cui la parvenza di un rapporto potenza uscente/potenza entrante (comunemente detto COP) pari a 7.

Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento del sistema qui descritto è il seguente: la resistenza elettrica non scambia calore direttamente con l’acqua contenuta all’interno del generatore, ma scambia calore con una massa termica di notevoli dimensioni che a sua volta scambia calore con l’acqua attraverso uno strato isolante termico che permette di mantenere, una volta raggiunto l’equilibrio, la massa termica ad elevata temperatura, dell’ordine di 700-1000°C e la superficie esterna dello strato isolante a poco più di 100°C.

Descrizione
In Figura 1 è possibile vedere la sezione del generatore di vapore.

Figura 1

Figura 1

Le dimensioni del sistema non sono particolarmente critiche al fine del funzionamento. In Figura 1 sono indicati i seguenti elementi:

  1. Contenitore esterno (AISI304)
  2. tubo ingresso acqua
  3. tubo uscita vapore
  4. massa termica (AISI304)
  5. resistenze elettriche (n° 4 da 450W)
  6. isolante termico (lana di caolino)
  7. contenitore massa termica (AISI304)
  8. cavi alimentazione resistenze
  9. radiatore in alluminio
  10. termocoppia

Si è considerato che il sistema sia a sezione quadrata. In tal caso, con le dimensioni indicate in figura il sistema contiene circa 8 litri di acqua se riempito fino al livello indicato, circa 14 litri se riempito completamente. La massa termica, di dimensioni [200]x[200]x[20] mm ha una massa di circa 6.5 kg.

Dimensionamento
Il sistema alimentato ad esempio con una potenza elettrica di 1800W, una volta a regime, produce quindi, in assenza di fenomeni anomali, circa 3 kg/h di vapore. Per avere un riferimento di seguito è riportato un brevissimo filmato che mostra un getto di vapore leggermente surriscaldato di 7 kg/h:

Al momento dello spegnimento della resistenza il calore accumulato nella massa termica mantiene l’erogazione pressochè costante per un breve periodo, poi la massa comincerà a raffreddarsi (continua a cedere circa 1800W senza ricevere la stessa quantità di energia da parte delle resistenze elettriche).
Il transitorio del sistema nella fase di spegnimento è descritto dal bilancio dell’energia della massa termica:

ove m rappresenta la massa termica, cp il suo calore specifico, h il coefficiente di scambio, A la superficie di scambio.
La soluzione è:

Possiamo quindi assimilare il fenomeno del transitorio ad un circuito elettrico RC dove:

  • la capacità termica sarà l’equivalente del condensatore
  • la resistenza termica della resistenza elettrica
  • il calore della carica elettrica
  • la temperatura della differenza di potenziale

Se si suppone che il livello dell’acqua all’interno del generatore di vapore sia mantenuto costante e che la conducibilità termica dell’isolante frapposto tra massa termica e scatola immersa nell’acqua non dipenda dalla temperatura, si può asserire che il valore di R è costante.
Consideriamo la massa termica costituita da un blocco di acciaio inox del peso di 6.5 kg e:

  • che la sua temperatura all’inizio dell’autosostentamento sia di 900°C
  • che il vapore in uscita all’inizio dell’autosostentamento asporti dal sistema 1800W, pari a 1550 kcal/h (cioè che il sistema sia all’equilibrio)

La capacità termica della massa di acciaio vale:

C = 0.12 * 6.5 = 0.78 kcal/°C

essendo 0.12 Kcal/kg °C il calore specifico dell’acciaio inox.
Per similitudine col circuito elettrico la massa termica ridurrà la propria temperatura seguendo la nota legge:

T(t) = TL + ΔT0 * e-(t/RC)

ove R sta a indicare la resistenza termica tra la massa e l’acqua in ebollizione e C la capacità termica della massa (0.78 kcal/°C = 3260 J/°C). TL rappresenta la temperatura a cui il sistema tende per t tendente all’infinito, nel nostro caso 100°C.
La resistenza termica sarà pari a:

R = (900-100)/1550 = 0.51 h°C/kcal

La temperatura della massa termica in funzione del tempo dall’inizio dell’autosostentamento varrà quindi:

T(t) = 100 + 800 * e-[t / (0.51 x 0.78)]

e dopo 30 minuti (cioè 0.5 ore) varrà:

T(t) = 100 + 800 * e -(0.5 / 0.40) = 330°C

La quantità di vapore prodotta dopo 30 minuti sarà:

Q = Q(0) * (330 – 100) / (900-100) = 0.28 * Q(0)

cioè sarà ancora surriscaldato ma si sarà ridotto a poco più di un quarto di quello iniziale, una quantità comunque non trascurabile.
Dal valore della resistenza termica calcolato sopra possiamo dedurre (approssimativamente) lo spessore di isolante termico necessario tra la massa e la scatola che lo contiene, considerando che la resistenza termica tra superficie esterna della scatola e acqua è, in confronto, trascurabile.
Considerando una superficie di 0.12 m2 e di utilizzare lana di caolino pressata (λ = 0.1 W/m°C, valore medio tra 100 e 900°C) si ha:

s = λ * S * ΔT / P = 0.1 * 0.12 * 800 / 1800 = 0.0053m = 5.3mm

ove s = spessore; P = potenza; λ = conducibilità termica; S = superficie; ΔT = differenza di temperatura

Temperatura scatola contenente la massa termica
Mentre la massa termica si trova a elevata temperatura, la superficie della scatola che lo contiene (indicata con 7 in Figura 1) si trova a una temperatura molto più bassa grazie all’isolante termico che li separa (indicato con 6 in Figura 1) e al buon coefficiente di scambio esterno con l’acqua.
Occorre distinguere tra superfici immerse nell’acqua e coperchio superiore a stretto contatto termico con il radiatore di alluminio.
Se per adesso consideriamo il livello dell’acqua tale da non coprire il radiatore in alluminio, possiamo stimare la temperatura delle pareti immerse in acqua, senza addentrarci in complessi calcoli di scambio convettivo con fluido in cambiamento di stato, considerando il seguente diagramma tratto dal testo: F.Kreith – Principi di trasmissione del calore – Liguori

Figura 2

Figura 2

La superficie del fondo della scatola e quella laterale sono pari a circa i 2/3 della superficie totale. Dal momento che il flusso termico trasversale sulle pareti è ridottissimo, si può dire che circa i 2/3 del calore entrante (pari a 1200W) vengono ceduti all’acqua da questa superficie che risulta essere pari a circa 0.08 m2. Il flusso termico su tale superficie sarà quindi pari a circa 15000 W/m2 cioè circa 13000 kcal/hm2 .

Dal diagramma sopra riportato si vede come ci si trovi in zona puramente convettiva o al massimo all’inizio della zona di ebollizione a nuclei. In ogni caso la differenza di temperatura tra l’acqua (100°C) e la parete è estremamente bassa, certamente minore di 5°C.

Diverso è il caso della faccia superiore della scatola, a stretto contatto con un radiatore in alluminio. Se questo radiatore scambiasse calore solo con il vapore, cioè non fosse lambito dall’acqua, esso dovrebbe scambiare con esso i 600W rimanenti. Dal momento che la produzione di vapore in questa ipotesi sarebbe di circa 2 kg/h, anche supponendo la superficie dello scambiatore infinita, la sua temperatura (e quella del vapore surriscaldato) sarebbe:

T = 100 + 600 * 0.86 / (2 * 0.46) = 660 °C

essendo circa 0.46 kcal/kg°C il calore specifico del vapore nelle condizioni in esame.

Quindi per mantenere la temperatura dello scambiatore in alluminio a un valore accettabile è necessario che esso scambi parte del calore anche con l’acqua. Il livello dell’acqua dovrà quindi essere tale da lambire lo scambiatore di alluminio. In questo modo la sua temperatura potrà essere mantenuta a un valore (tipicamente 110-115°C) in grado di surriscaldare il vapore alla temperatura voluta. Come verrà spiegato ai punti successivi è possibile controllare contemporaneamente la temperatura di surriscaldamento del vapore e il livello dell’acqua mediante un comune termoregolatore.

Temperatura del vapore in uscita
Una questione di cui si è a lungo dibattuto è quella della temperatura del vapore in uscita, diversi osservatori affermano che essa era superiore a 100°C. Poiché si asserisce che tali temperature erano a pressione ambiente si deve concludere che si trattasse di vapore surriscaldato. In passato questo elemento era stato messo in dubbio sulla base del fatto che un generatore di vapore surriscaldato risulterebbe estremamente instabile: una variazione anche piccola della portata della pompa dell’acqua o dell’energia introdotta (o prodotta da una reazione interna) secondo taluni avrebbe variato grandemente la temperatura del vapore in uscita, che invece è sempre risultata stabile.

Il sistema descritto permette di avere nella parte superiore del generatore vapore surriscaldato rendendo inoltre la sua temperatura molto stabile.

Per ottenere questo la parte superiore del gruppo di riscaldamento è dotato di radiatore alettato (indicato con 9 in Figura 1) posizionato al di sopra del pelo dell’acqua. Si è supposto trattarsi di un radiatore in alluminio Elbomec S-220.

Il vapore che si libera dal pelo dell’acqua nell’incontrare il radiatore eleva la sua temperatura surriscaldandosi, fino a una temperatura dipendente dalla portata del vapore e dalla superficie del radiatore, ma che, grazie alla elevata superficie alettata in rapporto alla quantità di vapore prodotto, non sarà lontana dalla temperatura di questo.

Quando le resistenze elettriche vengono arrestate per iniziare una fase di autosostentamento (mantenendo la pompa dell’acqua in funzione) ci si aspetta che lentamente la temperatura del vapore in uscita cominci a diminuire. In realtà, se il livello dell’acqua è controllato mediante un termostato, la temperatura del vapore rimarrà costante per un periodo prolungato, come visto a proposito del “Dimensionamento“, e ciò che diminuirà nel tempo sarà solo la quantità di vapore prodotto. In realtà sarebbe sufficiente un aumento (manuale o automatico) del set point al momento dell’inizio dell’autosostentamento per vedere la temperatura del vapore addirittura aumentare.

Controllo del livello
Il livello dell’acqua all’interno è fondamentale per un corretto funzionamento durante la fase di “autosostentamento”. Un livello troppo basso può portare a temperatura eccessiva del radiatore alettato. Al contrario un livello troppo alto porterebbe all’eccessivo raffreddamento del radiatore e conseguentemente ad abbassamento della temperatura del vapore in uscita che non sarebbe più surriscaldato.

Come già anticipato, il livello potrebbe essere controllato mediante sensore di livello, ma in realtà il semplice avviamento/arresto della pompa ad un determinato set-point di temperatura del vapore in uscita (tipicamente 110°C) appare essere un metodo semplice e perfettamente utilizzabile. In questo caso, per evitare rischiosi surriscaldamenti, è opportuno, prima di iniziare il riscaldamento, immettere acqua nel generatore almeno fino a lambire la parte inferiore del contenitore della massa termica.

Poichè potrebbe sorgere il dubbio che tale regolazione possa risultare instabile e di difficile attuazione, possiamo stimare i tempi di reazione richiesti al sistema di controllo per mantenere stabili sia il livello che la temperatura.

Se supponiamo che il livello dell’acqua sia sceso fino a non lambire più il radiatore di alluminio, questo comincerà ad aumentare la propria temperatura dal momento che riceve ancora una potenza di circa 600W attraverso lo strato isolante che lo separa dalla massa termica, ma continua a scambiare una potenza molto piccola col vapore (circa 30W se si suppone che la temperatura del vapore in uscita sia di 110°C). Dal momento che la massa di tale radiatore è pari a circa 3 Kg e che il calore specifico dell’alluminio è pari a 0.24 Kcal/kg°C, la velocità di salita della temperatura del radiatore sarà circa:

ΔT / t = 600 * 0.86 / 3 * 0.24 = 716 °C/h = 0.2 °C/s

cioè un sistema di controllo avente un tempo di reazione di ben 5 secondi porterebbe a fluttuazioni di temperatura dell’ordine di 1°C. In pratica sarà possibile utilizzare un normale termoregolatore con uscita ON/OFF che faccia partire e fermare la pompa ad una determinata temperatura del vapore in uscita (abbiamo supposto 110°C).

Tempo di messa a regime
Il tempo di messa a regime viene certamente allungato dalla presenza della massa termica. Occorre però considerare che contrariamente a quanto si potrebbe pensare probabilmente non tutta l’acqua all’interno del generatore è a 100°C per cui l’energia immessa nella massa termica è in parte compensata dal fatto che solo una parte dell’acqua è riscaldata.

Infatti il riscaldamento avviene nella parte superiore del generatore, contrariamente a quanto avviene in una comune pentola che è riscaldata dal basso. Nella pentola l’acqua presenta una temperatura quasi uniforme a causa dei moti convettivi. In questo caso invece i movimenti convettivi sono assenti e l’unica agitazione presente è quella causata dalle piccole bolle di vapore che si sprigionano sulla superficie esterna del contenitore della massa termica. Dal momento che come si deduce dalla Figura 2 l’ebollizione nella massa liquida è praticamente assente e il vapore si libera principalmente in superficie, è plausibile che lo strato più basso di acqua presente all’interno del generatore rimanga a una temperatura non molto superiore a quella di ingresso (vedere nota tecnica).

Il tempo di messa a regime può quindi essere calcolato considerando la somma dell’energia necessaria per portare la massa termica a una temperatura di circa 900°C e di quella necessaria a portare a 100°C solo una modesta quantità di acqua, che possiamo stimare in 4 litri.

Eseguiamo un calcolo approssimativo, dal momento che, trattandosi di un regime transitorio il calcolo rigoroso è assai complesso:

  • Energia fornita alla massa termica = 6.5 * 900 * 0.12 = 700 kcal
  • Energia fornita all’acqua = 4 * 80 = 320 kcal
  • Energia totale fornita = 700 + 320 = 1020 kcal
  • Tempo per fornire tale energia = 1020/ (1800 * 0.86) = 0.65 h = 40 minuti

Considerando che nel frattempo energia viene asportata dal vapore che comincia a formarsi, si può affermare che il sistema si porta quasi a regime (in teoria per raggiungere il regime occorre un tempo infinito) in circa un’ora.

La produzione di vapore invece comincerà abbastanza prima, non appena la superficie esterna del contenitore della massa termica supera i 100°C.

Stabilità del sistema
Contrariamente a quanto potrebbe apparire è quindi possibile produrre vapore surriscaldato a temperatura molto stabile anche a fronte di variazioni di potenza fornita o di portata della pompa che immette acqua nel sistema.

Possiamo per esempio considerare una improvvisa riduzione di potenza (ma ovviamente vale anche per un aumento) del 10%: da 1800W a 1600W. La temperatura della massa termica diminuirà con una velocità iniziale data da:

dT/dt = ΔP / C = (1800 – 1600) / 3260 = 0.06 °C/s = 3.6 °C/minuto

Occorreranno quindi 15 minuti per avere una diminuzione di temperatura della massa termica di 50°C, valore trascurabile rispetto ai 900°C di partenza e che portano a una variazione della temperatura del vapore in uscita inferiore a 1°C.

Si può prendere in considerazione il caso di improvvisa mancanza di funzionamento della pompa. In questo caso la temperatura del radiatore in alluminio comincerebbe presto ad aumentare anche se le resistenze verrebbero spente dal controllo di temperatura. La temperatura dello scambiatore in alluminio, come abbiamo visto aumenterebbe al ritmo di circa 0.2°C/s e potrebbe diventare preoccupante (300°C) dopo circa 15 minuti. Poichè però nel frattempo anche la temperatura della massa termica sarebbe diminuita e considerando che l’asportazione di calore da parte del vapore (che sarebbe fortemente surriscaldato) diventerebbe importante, si può dire che il sistema si raffredderebbe senza che alcuna parte possa raggiungere temperature in grado di danneggiarlo.

Il controllo del sistema durante un test può quindi essere effettuato manualmente con tutta calma, senza necessità di anelli di retroazione.

Simulazione di COP = 7
Lo stesso sistema è in grado di simulare una potenza termica in uscita pari a circa 7 volte quella immessa (COP = 7).

Si consideri di avere il sistema come sopra all’equilibrio e che esso sia alimentato con acqua a 25°C. Dal sistema usciranno circa 3 kg/h di vapore leggermente surriscaldato.

Si consideri ora di incrementare la portata della pompa che introduce l’acqua di 6 volte cioè di portarla a 18 l/h.

Il calore necessario a portare l’acqua a 100°C, cioè all’ebollizione vale:

Q = 18 * (100 – 25) = 1350 kcal/h = 1570W

Poichè vengono forniti 1800W, si può affermare che l’acqua verrà effettivamente portata all’ebollizione e verrà anche prodotta una piccola quantità di vapore (0.4 kg/h in assenza di dissipazioni).

La differenza è che la quasi totalità dell’acqua introdotta non verrà vaporizzata e uscirà dal condotto di uscita (3 in Figura 1) alla temperatura di 100 °C.

In questo caso un termometro introdotto nella parte superiore del generatore di vapore misurerà una temperatura pari o leggermente superiore a 100°C dando l’impressione che si stia producendo vapore in grande quantità mentre in realtà dal sistema esce praticamente solo acqua a 100°C.

A fronte dei 1800W in ingresso si sarà quindi indotti a stimare una potenza termica in uscita pari a circa:

Q = 18 * (75 + 545) = 11160 kcal/h = 12970 W

pari appunto a un valore apparente di COP = 7.

Quando il sistema funziona in questo modo non serve alcun sistema di controllo della temperatura o del livello, essendo sufficiente imporre una portata della pompa di circa 18 l/h. Una eventuale piccola diminuzione della portata non avrà alcuna conseguenza, dato che il tutto continuerà a funzionare ma solo con un COP apparente leggermente più basso poiché verrà prodotto più vapore. Al contrario un aumento della portata della pompa superiore al 5% potrebbe portare a diminuzione della temperatura di uscita dell’acqua sotto i 100°C, una diminuzione che appare ad esempio nel Report che documenta il test del Gennaio 2011 (foto dello schermo del PC che raccoglieva i dati), come visibile in Figura 3.

Figura 3

Figura 3

Si noti inoltre come sarebbe sufficiente prolungare il condotto di uscita verso l’interno del generatore fino all’incirca al livello del pelo dell’acqua come indicato in Figura 4, per poter avere l’apparente produzione di vapore con COP = 7 e poter contemporaneamente misurare una temperatura nettamente superiore a 100°C.

Figura 4

Figura 4

Infatti in questo caso il radiatore in alluminio rimarrebbe in parte fuori dall’acqua come nel caso dell’autosostentamento e potrebbe quindi raggiungere una temperatura superiore a 100°C permettendo di surriscaldare il poco vapore prodotto.

Resistenze di riscaldamento
L’unico componente commerciale critico del sistema è la resistenza di riscaldamento. Essa infatti deve lavorare a temperature molto elevate ed è quindi a forte rischio di rottura per surriscaldamento.

In Figura 1 sono state indicate resistenze a cartuccia adatte a questo utilizzo. Le resistenze più comuni sono in grado di operare con temperatura superficiale fino a 750°C con densità di potenza superficiale di 50W/cm2, ma esistono in commercio modelli in grado di operare in modo continuativo oltre 1000°C. (esempio cartucce in nitruro di boro della TRE C di Segrate (MI), disponibili nei diametri standard 12.5, 14 e 16mm).

Nel disegno sono state indicate 4 resistenze di diametro 12.5mm, lunghe 200mm, ognuna della potenza di 450W. La densità di potenza superficiale è quindi minore di 6 W/cm2 cioè quasi 10 volte inferiore alla massima ammissibile. Questo sovradimensionamento consente di poter operare con resistenze isolate in nitruro di boro a temperature superficiali estremamente elevate, anche notevolmente superiori a 1000°C e garantisce che la temperatura di ogni punto del blocco di acciaio inox sia praticamente identica a quella superficiale delle resistenze. Infatti considerando le dimensioni indicate in Figura 1 e che la conducibilità termica dell’acciaio inox è circa 17 W/m°C, la massima differenza di temperatura tra i vari punti del blocco di acciaio inox è dell’ordine di +/- 30°C, del tutto trascurabili rispetto ai 900°C di lavoro.

Conclusione
Il sistema descritto in questo Post potrebbe spiegare un COP apparente>1 o la capacità di continuare a erogare potenza (vapore) anche nel caso di alimentazione elettrica scollegata (autosostentamento), senza che per questo sia dimostrata una produzione “anomala” di calore o “eccesso di energia”.

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How to overestimate water flux by wrongly positioning an instrument

Report written on: 19/04/2016

This Post was triggered by a discussion concerning the energy measurements published in this document of May 2013 (Provisional Patent Application US61/821,914) and by the statements of a user on the 22passi Blog (nickname: Hermano Tobia), who does not believe that a possibility exists for outrageous errors in measuring the quantity of water drained from a container named “water reservoir” when this is done by using a “Flowmeter” as the one mentioned in the said document. In particular Hermano Tobia, referring to an image that likely documented visually the setup adopted (image referred to as Figure 1), stated (translating from Italian):

The pipe with the flow meter is connected to the Tellarini self-priming pump that is in the blue bucket where the condensed vapor is conveyed, thus I don’t believe your hypothesis is plausible.[10 April 2016 23:03]

Hermano Tobia referred to the technical criticism previously expressed by Mario Massa, who had highlighted how the improper choice made for positioning the “Flowmeter” was such to potentially cause a malfunction of the instrument. In particular Mario Massa in his comment had evidenced that:

… that palette flowmeter is mounted in a manner that is absolutely incorrect: it is in the highest point of a pipe that flows into a reservoir.” [10 April 2016 20:22]

i.e. the “Flowmeter” (in particular a litre counter as normally used in households for drinkable water) was wrongly positioned if aimed at correctly recording the true flux of water.

Figure 1 shows the set-up adopted for that test and one can readily see how the “water reservoir” (the blue container) is positioned below the instrument.

Figure 1 – Reservoir equipped with a “Flowmeter” positioned on top of the pipe runs

Figure 1 – Reservoir equipped with a “Flowmeter” positioned on top of the pipe runs

To convince those who may doubt that significant functional issues may arise when the conditions are not met for a complete and constant filling of the pipe where water is present and flows, a test setup was realized (Figure 3) similar to the one in question. By using a pump, water is drawn from a reservoir, and the quantity of water is measured by initially using a Watermeter by Gioanola (*) model DALF/25-1 (Figure 2):

Figure 2 – 1″ Watermeter by Gioanola

Figure 2 – 1″ Watermeter by Gioanola

In the first test the Watermeter size 1″ and the relevant connections are positioned in a similar fashion as visible in the image in question (Figure 1) i.e. in the functionally INCORRECT manner adopted for that test.  The overall set-up is visible in Figure 3:

FFigure 3 – INCORRECT 1” Watermeter Set-up

Figure 3 – INCORRECT 1” Watermeter Set-up

 

With such setup we will determine the actual quantity of water flowing per unit time and compare to a reference measurement.

The verification of the clumsily installed instrument’s reading  is done by filling a glass container of known volume (1 Liter in our case) with water drawn by the reservoir, and by measuring the time needed to fill the reference 1 Liter container. The value recorded with this method is then compared to the instrument’s reading.

In order to document the main phases of the test a brief Video (n.1) was taken.

Summarizing the main data of our first test, water starts to flow into the 1 Liter container  at minute 0:26 of the video, and the container is filled completely at minute 1:13. During this interval the roller counter that indicates the quantity of water flowed has completed 3 turns, that correspond to 3 Liters of water estimated by the instrument.

By analyzing the data one can compute the time necessary to pump 1 Liter of water into the glass container. Such time is 47 seconds, thus the water flux is estimated about 76.6 liters/hour.

If one were to trust the reading of the Watermeter, measuring 3 liters, and considering the same 47 seconds, one would erroneously estimate a water flux of about 229.8 liters/hour thus with a 200% measurement error.

In the second test the set-up with the 1” Watermeter as modified in order to ensure a CORRECT instrument functionality, by introducing an upward bend downstream from the Watermeter  The overall setup realized is visible in Figure 4:

Figure 4 – CORRECT 1” Watermeter Set-up

Figure 4 – CORRECT 1” Watermeter Set-up

In order to document the main phases of the test, a brief Video (n.2) was taken.

Summarizing the main data of our second test, water starts to flow into the 1 Liter container  at minute 0:23 of the video, and the container is filled completely at minute 1:11. During this interval the roller counter that indicates the quantity of water flowed has completed 1.1 turns, that correspond to 1.1 Liters of water estimated by the instrument, with an error within 10% roughly.

By analyzing the data one can compute the time necessary to pump 1 Liter of water into the glass container. Such time is 48 seconds, thus the water flux is estimated about 75 liters/hour.

For the third test  a 3/4″ Gioanola Watermeter model USLF/20 (Figure 5 and Figure 6) was used:

Figure 5 – 3/4″ Gioanola Watermeter

Figure 5 – 3/4″ Gioanola Watermeter

Figure 6 –3/4″ Gioanola Watermeter

Figure 6 –3/4″ Gioanola Watermeter

In this case, again the Watermeter size 3/4″ and the relevant connections are positioned in a similar fashion as visible in the image in question (Figure 1) i.e. in the functionally INCORRECT manner adopted for that test.  The overall set-up is visible in Figure 7:

Figure 7 – INCORRECT 3/4″ Watermeter Set-up

Figure 7 – INCORRECT 3/4″ Watermeter Set-up

Again the verification of the clumsily installed instrument’s reading  is done by filling a glass container of known volume (1 Liter in our case) with water drawn by the reservoir, and by measuring the time needed to fill the reference 1 Liter container. The value recorded with this method is then compared to the instrument’s reading.

In order to document the main phases of the test a brief Video (n.3) was taken.

Summarizing the main data of our third test, water starts to flow into the 1 Liter container  at minute 0:30 of the video, and the container is filled completely at minute 1:26. During this interval the roller counter that indicates the quantity of water flowed has completed 2.7 turns, that correspond to 2.7 Liters of water estimated by the instrument.

By analyzing the data one can compute the time necessary to pump 1 Liter of water into the glass container. Such time is 56 seconds, thus the water flux is estimated about 64.3 liters/hour.

If one were to trust the reading of the Watermeter, measuring 2.7 litri, and considering the same 56 seconds, one would erroneously estimate a water flux of about 176.8 liters/hour thus with a 175% measurement error.

In the fourth test the set-up with the 3/4” Watermeter was modified in order to ensure a CORRECT instrument functionality, by introducing an upward bend downstream from the Watermeter. The overall setup realized is visible in Figure 8:

Figure 8 – CORRECT 3/4″ Watermeter Set-up

Figure 8 – CORRECT 3/4″ Watermeter Set-up

In order to document the main phases of the test, a brief Video (n.4) was taken.

Summarizing the main data of our fourth test, water starts to flow into the 1 Liter container  at minute 0:31 of the video, and the container is filled completely at minute 1:28. During this interval the roller counter that indicates the quantity of water flowed has completed 1.0 turns, that correspond to 1.0 Liters of water estimated by the instrument, with negligible error.

By analyzing the data one can compute the time necessary to pump 1 Liter of water into the glass container. Such time is 57 seconds, thus the water flux is estimated about 63.1  liters/hour.

Conclusions

The data shown help in understanding how large an overestimate can be caused by an incorrect instrument placement when measuring water flow.

Such behavior of “palette” counters is well known to specialists in the field, chosing to install the instrument in that way the risk to overestimate is high and the measurement could become completely unreliable.

(*) It is worth  noting that in order to avoid malfunctions, Gioanola published a  series of installation instructions (to which installers must comply) in order to ensure the necessary conditions for the correct functionality of their Products.

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Come sovrastimare il flusso d’acqua posizionando uno strumento nel modo sbagliato

Stesura del Report in data: 17/04/2016

Questo Post prende spunto da una discussione in merito alle misure energetiche pubblicate in questo documento del Maggio 2013 (Provisional Patent Application US61/821,914) e da quanto sostenuto da un utente del Blog 22passi (nickname: Hermano Tobia), utente che in sostanza afferma di non credere affatto alla possibilità di errori pacchiani nella misura dell’acqua prelevata dal contenitore denominato “water reservoir” quando la si effettui utilizzando un “Flowmeter” come quello citato in detto documento. In particolare Hermano Tobia, facendo riferimento ad una immagine che molto probabilmente documentava visivamente il set-up adottato (immagine di seguito indicata come Figura 1), affermava:

Il tubo col flussimetro é collegato alla pompa autoadescante tellarini che é nel secchio blu dove é convogliata la condensa, e quindi non credo che la tua ipotesi sia plausibile.[10 aprile 2016 23:03]

Hermano Tobia si riferiva alla critica tecnica espressa in precedenza da Mario Massa, il quale aveva sottolineato come la scelta infelice adottata per il posizionamento del “Flowmeter” era tale da comportare potenzialmente un cattivo funzionamento dello strumento stesso. In particolare Mario Massa nel suo commento aveva fatto notare che:

… quel flussimetro a palette è montato in modo assolutamente non corretto: è nel punto più alto di un tubo che sfocia in un serbatoio.[10 aprile 2016 20:22]

cioè il “Flowmeter” (in particolare un Contalitri del tipo utilizzato normalmente nelle abitazioni per l’acqua potabile) era stato collocato in maniera errata se lo scopo era quello di rilevare correttamente il reale flusso di acqua transitante.

La Figura 1 mostra il set-up adottato per quel test e si può notare come il “water reservoir” (il contenitore blu) sia posizionato in basso rispetto allo strumento.

Figura 1 - Serbatoio munito di "Flussimetro" posizionato in alto

Figura 1 – Serbatoio munito di “Flussimetro” posizionato in alto

Per convincere chi eventualmente avesse dubbi sui notevoli problemi funzionali che possono manifestarsi quando non si determinino le condizioni per avere un completo e costante riempimento della condotta all’interno della quale è presente e fluisce l’acqua, è stato realizzato un nostro set-up di prova (Figura 3) analogo a quello in discussione. Utilizzando una pompa si andrà a prelevare acqua da un serbatoio, la quantità di acqua prelevata verrà misurata facendo uso inizialmente di un Watermeter della Gioanola (*) modello DALF/25-1 (Figura 2):

Figura 2 - Watermeter Gioanola da 1"

Figura 2 – Watermeter Gioanola da 1″

Nel primo test il Watermeter da 1″ e le relative connessioni sono state posizionate similmente a quanto visibile nell’immagine in questione (la Figura 1) cioè nel modo funzionalmente SCORRETTO adottato per quel test ed il set-up complessivo realizzato è appunto visibile in Figura 3:

Figura 3 - Watermeter da 1" posizionato SCORRETTAMENTE

Figura 3 – Watermeter da 1″ Set-up SCORRETTO

 

Si andrà quindi a determinare la quantità effettiva d’acqua transitante nell’unità di tempo per confronto con una misura di riferimento.

La verifica della correttezza dell’indicazione dello strumento,  installato così “maldestramente”, si effettua riempendo un contenitore di vetro di volume noto (nel nostro caso pari ad 1 Litro) con l’acqua prelevata dal serbatoio, e misurando il tempo necessario al riempimento del contenitore di riferimento da 1 Litro. Si confronta poi il valore rilevato con questo metodo con quanto indicato dello strumento.

Per documentare le principali fasi del test è stato realizzato un breve Filmato (n.1).

Riassumendo i dati salienti del nostro primo test, l’inizio dell’immissione dell’acqua all’interno del contenitore da 1 Litro parte circa al minuto 0:26 del filmato, mentre il riempimento si completa al minuto 1:13. In questo lasso di tempo la rotellina, che indica la quantità d’acqua transitante, ha completato 3 giri che corrispondono a 3 litri d’acqua stimati dallo strumento.

Analizzando i dati è possibile calcolare il tempo effettivo necessario per immettere 1 Litro d’acqua nel contenitore di vetro. Tale tempo risulta pari a 47 secondi, da cui il flusso d’acqua reale si stima corrisponda a circa 76.6 litri/ora.

Se invece considerassimo le indicazioni dirette del Watermeter, che indica 3 litri, considerando i 47 secondi si stimerebbe in modo errato un flusso d’acqua pari a circa 229.8 litri/ora quindi un errore pari al 200%.

Nel secondo test il set-up con il Watermeter da 1″ è stato modificato al fine di assicurare il CORRETTO funzionamento dello strumento, introducendo una curva verso l’alto “a valle” del Watermeter ed il set-up complessivo realizzato è appunto quello visibile in Figura 4:

Figura 4 - Watermeter da 1" posizionato CORRETTAMENTE

Figura 4 – Watermeter da 1″ Set-up CORRETTO

Per documentare le principali fasi del test è stato realizzato un breve Filmato (n.2).

Riassumendo i dati salienti del nostro secondo test, l’inizio dell’immissione dell’acqua all’interno del contenitore da 1 Litro parte circa al minuto 0:23 del filmato, mentre il riempimento si completa al minuto 1:11. In questo lasso di tempo la rotellina, che indica la quantità d’acqua transitante, ha completato 1.1 giri che corrispondono a 1.1 litri d’acqua stimati dallo strumento con un errore contenuto al 10% circa.

Analizzando i dati è possibile verificare il tempo effettivo necessario per immettere 1 Litro d’acqua nel contenitore di vetro. Tale tempo risulta pari a 48 secondi, da cui il flusso d’acqua reale corrisponde ancora a circa 75 litri/ora.

Per il terzo test si è utilizzato un Watermeter Gioanola da 3/4″ modello USLF/20 (Figura 5 e Figura 6):

Figura 5 - Watermeter Gioanola da 3/4"

Figura 5 – Watermeter Gioanola da 3/4″

Figura 6 - Watermeter Gioanola da 3/4"

Figura 6 – Watermeter Gioanola da 3/4″

Anche in questo caso inizialmente il Watermeter da 3/4″ e le relative connessioni sono state posizionate similmente a quanto visibile nell’immagine in questione (la Figura 1) cioè nel modo funzionalmente SCORRETTO adottato per quel test ed il set-up complessivo realizzato è appunto visibile in Figura 7:

Figura 7 – Watermeter da 3/4″ Set-up SCORRETTO

Figura 7 – Watermeter da 3/4″ Set-up SCORRETTO

Nuovamente la verifica della correttezza dell’indicazione dello strumento,  installato così “maldestramente”, si effettua riempendo un contenitore di vetro di volume noto (nel nostro caso pari ad 1 Litro) con l’acqua prelevata dal serbatoio, e misurando il tempo necessario al riempimento del contenitore di riferimento da 1 Litro. Si confronta poi il valore rilevato con questo metodo con quanto indicato dello strumento.

Per documentare le principali fasi del test è stato realizzato un breve Filmato (n.3).

Riassumendo i dati salienti del nostro terzo test, l’inizio dell’immissione dell’acqua all’interno del contenitore da 1 Litro parte circa al minuto 0:30 del filmato, mentre il riempimento si completa al minuto 1:26. In questo lasso di tempo la rotellina, che indica la quantità d’acqua transitante, ha completato 2.7 giri che corrispondono a 2.7 litri d’acqua stimati dallo strumento.

Analizzando i dati è possibile calcolare il tempo effettivo necessario per immettere 1 Litro d’acqua nel contenitore di vetro. Tale tempo risulta pari a 56 secondi, da cui il flusso d’acqua reale si stima corrisponda a circa 64.3 litri/ora.

Se invece considerassimo le indicazioni dirette del Watermeter, che indica 2.7 litri, considerando i 56 secondi si stimerebbe in modo errato un flusso d’acqua pari a circa 176.8 litri/ora quindi un errore pari al 175%.

Nel quarto test il set-up con il Watermeter da 3/4″ è stato modificato al fine di assicurare il CORRETTO funzionamento dello strumento, introducendo una curva verso l’alto “a valle” del Watermeter ed il set-up complessivo realizzato è appunto quello visibile in Figura 8:

Figura 8 – Watermeter da 3/4″ Set-up CORRETTO

Figura 8 – Watermeter da 3/4″ Set-up CORRETTO

Per documentare le principali fasi del test è stato realizzato un breve Filmato (n.4).

Riassumendo i dati salienti del nostro quarto test, l’inizio dell’immissione dell’acqua all’interno del contenitore da 1 Litro parte circa al minuto 0:31 del filmato, mentre il riempimento si completa al minuto 1:28. In questo lasso di tempo la rotellina, che indica la quantità d’acqua transitante, ha completato 1.0 giri che corrispondono a 1.0 litri d’acqua stimati dallo strumento, praticamente un errore nullo.

Analizzando i dati è possibile verificare il tempo effettivo necessario per immettere 1 Litro d’acqua nel contenitore di vetro. Tale tempo risulta pari a 57 secondi, da cui il flusso d’acqua reale corrisponde a circa 63.1 litri/ora.

Conclusioni

Quanto mostrato rende l’idea dell’enorme sovrastima, rispetto al reale flusso d’acqua, che uno scorretto utilizzo dello strumento può determinare.

Tale comportamento degli strumenti “a palette” è noto ai tecnici del settore ed appare realmente incomprensibile il motivo per il quale gli esecutori del test preso in esame abbiano installato lo strumento nelle condizioni operative in cui appunto il rischio di sovrastima risulta così elevato da rendere del tutto inattendibile la misurazione.

(*) Si noti che proprio allo scopo di evitare malfunzionamenti la Gioanola ha pubblicato una serie di istruzioni installative (a cui gli installatori devono attenersi) al fine di assicurare le condizioni necessarie per il corretto funzionamento dei propri prodotti.

Appendice 1 al Post [21/04/2016]

Hermano Tobia ha contestato il setup realizzato dal GSVIT in quanto a suo parere privo del pezzo di tubo, rivolto verso il basso, che dalla Figura 1 parrebbe immerso nel serbatoio. Tobia rivendica che questo “accorgimento” (del quale afferma che il GSVIT non si sarebbe accorto) garantendo una sorta di “circuito chiuso”, renderebbe la misura dello strumento immune da rischi di sovrastima perchè l’aria non potrebbe più entrare dallo scarico.

Sulla base di semplici considerazioni fisiche GSVIT invece ha ritenuto che questa parte di condotta a “tubo immerso” non determina effetto nell’impedire la sovrastima da parte dello strumento e per questo motivo il tubo immerso non è stato preso in considerazione dal GSVIT per la realizzazione dei precedenti set-up dimostrativi.

GSVIT invece aveva suggerito e mostrato l’efficacia del montaggio CORRETTO che prevede l’introduzione di una curva verso l’alto (per poi ritornare verso il basso), collocata “a valle” del Watermeter.

Ad ogni buon conto, con l’unico scopo di dare una evidenza più che altro a carattere didattico di quanto contestato, si è variato il set-up modificandolo come visibile in Figura 9, aggiungendo anche la parte terminale immersa in un contenitore pieno d’acqua.

Figura 9 - Setup con uscita immersa

Figura 9 – Setup con uscita immersa

Si è ripetuto il confronto tra il reale valore di acqua transitata in un determinato intervallo di tempo e quella “misurata” dallo strumento. Il valore reale, questa volta, è stato determinato con il metodo del peso della massa dell’acqua, utilizzando una bilancia.

Nel Filmato (n.5) è stato documentato lo svolgimento del test.

Riassumendo i dati salienti di questo ulteriore test, ricavabili dal filmato:

a) peso iniziale 550 grammi circa al minuto 0:29 del filmato

b) rilevazione iniziale 0 Litri al minuto 0:31 del filmato

c) peso finale 1650 grammi circa al minuto 1:31 del fimato

d) rilevazione finale 2.3 Litri al minuto 1:31 del filmato

da cui analizzando questi dati è possibile determinare:

c)a) = 1650 – 550 = 1100 grammi in 62 secondi

d)b) = 2.3 – 0 = 2.3 litri in 60 secondi

cioè il reale flusso d’acqua vale circa 64 l/h mentre quello misurato dallo strumento risulta in elevato sovraeccesso e pari a circa 138 l/h.

Si conferma pertanto quanto già noto dalla teoria e cioè che la parte di tubo immerso di per sè non da alcuna particolare garanzia che lo strumento lavori in condizioni tali da stimare correttamente la quantità d’acqua transitata.

Appendice 2 al Post [23/04/2016]

Hermano Tobia ha correttamente messo in dubbio che la sovrastima dello strumento possa esistere anche quando il flusso d’acqua in transito nella condotta sia molto maggiore di quelli mostrati sin’ora. Infatti se la portata è sufficientemente elevata l’acqua è in grado di espellere l’aria dallo strumento anche se esso è montato nel punto più alto della tubazione.
La portata ridotta è stata utilizzata dal GSVIT sulla base della considerazione che il documento nei calcoli del COP fa riferimento all’utilizzo di soli 18 generatori ognuno con una potenza termica supposta di circa 11kW e alimentati da due circuiti ognuno con la propria pompa e Flussimetro (vedi Figura 1 del documento).
In queste condizioni la portata di acqua letta su ogni Flussimetro (supposta uguale e costante) doveva essere di circa 170 l/h in linea con i valori utilizzati nei nostri test.
Ovviamente è possibile che le pompe non fossero state utilizzate a portata ridotta (la portata delle pompe centrifughe normalmente viene ridotta semplicemente mediante valvola di strozzaggio in uscita come effettivamente ha fatto GSVIT). In questo caso, dal momento che la portata nominale delle pompe era certamente molto superiore a quella necessaria per i moduli a prescindere dal loro numero utilizzato, occorre supporre che esse venissero accese ogni volta che il livello nel serbatoio di raccolta (water reservoir nel documento) raggiungeva un certo livello e spente prima che le pompe pescassero aria.

Hermano Tobia aveva fatto notare che la pompa utilizzata dal GSVIT (centrifuga a immersione) era diversa da quella indicata nel documento (autoadescante).
La scelta della pompa a immersione è stata una scelta voluta da parte del GSVIT perchè essa garantisce che non possa essere aspirata aria che altererebbe il funzionamento del Flussimetro.
Prendendo in considerazione queste osservazioni è stato allestito un nuovo test che prevedeva l’utilizzo di una pompa autoadescante e una portata misurata dal Flussimetro di circa 1400 litri/ora.
Se tutto fosse stato montato correttamente avremmo constatato che la misura indicata dal Flussimetro coincideva con la quantità di acqua effettivamente transitata. Abbiamo però voluto verificare come con questo set-up sia sufficiente un piccolo ingresso di aria per alterare completamente la misura del Flussimetro indipendentemente dalla sua posizione e dalla portata utilizzata.

Bisogna infatti considerare che le pompe autoadescanti contrariamente alle comuni centrifughe, hanno la capacità di adescarsi e funzionare anche se oltre all’acqua viene aspirata una quantità anche importante di aria.

Il set-up realizzato e il modello di pompa (Water Pump Conforto modello MPM 2 CRA di tipo autoadescante, di potenza 0.55 kW) sono visibili nelle Figure 10 e 11:

Figura 10 - Setup a flusso elevato con pompa autoadescante

Figura 10 – Setup a flusso elevato con pompa autoadescante

Figura 11- Water Pump Conforto

Figura 11- Water Pump Conforto

Nel test la sovrastima del Watermeter risiede nella miscela di acqua e aria che si forma nel tubo di aspirazione. L’ingresso anomalo di aria è stato ottenuto semplicemente omettendo il teflon di tenuta sulle giunzioni del tubo di aspirazione. Inutile dire che un errore anche molto maggiore si ottiene se si omette di arrestare la pompa una volta vuoto il “water reservoir” lasciando che la pompa aspiri acqua e aria.

Nel Filmato (n.6) è stato documentato lo svolgimento del test.

Anche questa volta il confronto avviene tra il reale valore di acqua transitata in un determinato intervallo di tempo e quella “misurata” dallo strumento nel medesimo intervallo. Il valore reale è stato determinato con il metodo del peso della massa dell’acqua, utilizzando una bilancia.

Riassumendo i dati salienti di questo ulteriore test, ricavabili dal filmato, si può verificare che a fronte di 5 Litri indicati dallo strumento in realtà l’acqua effettivamente transitata risulta poco più di 3.1 Litri.

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TPR2 – Calorimetry of Hot-Cat performed by means of IR camera

First issue: 08/02/2015

Introduction
Some recent experimental measurements by the Martin Fleischmann Memorial Project (MFMP) highlighted a possible error in the Hot-Cat calorimetric measurement; the calorimetric measurement we are referring to is described in the document known as “TPR2” or Lugano Report. In particular, in the report of the MFMP experiment the following consideration is stated:

The main revelation was that the emissivity required for the camera to correctly interpret the temperatures on the surface was very close to 0.95. When we plugged in the emissivities cited from literature in the Lugano report (0.8 to 0.4), the apparent temperature was 1200° to 1500°C at 900W in.

GSVIT already long ago had suggested that the measures and the calorimetric analysis performed by the Lugano Report authors (in the following AA) (G.Levi, E.Foschi, B.Höistad, R.Pettersson, Lars Tegnér, H. Essén) contained a fundamental error since they considered the Alumina as a gray body, as far as thermal radiation is concerned.

The experimental measurements by MFMP were carried out on a replica device (a simulacrum of the real Hot-Cat), confirmed what was only a hypothesis by GSVIT and, where correct, they allow to affirm that the method adopted by the TPR2 AA to calculate the reactor surface temperature (and therefore the amount of heat irradiated) was incorrect.
In general, it is difficult to define the error generated from a wrong method set-up on the outside temperature and radiated power measurements, since it is not sufficient that the simulacrum be identical in shape, dimensions and materials. Actually, Alumina can assume 7 polymorphic forms with different crystalline structure and industrially the word “pure Alumina” starts to be used for 99% purity. We want to recall here the results of the analysis of samples of the Hot-Cat Alumina as reported in TPR2:

The results confirmed that it was indeed alumina, with a purity of at least 99%. Details of this analysis will be found in Appendix 2.

However, although the presence of small percentages of impurities can alter its characteristics (what is exploited to make it fit better various applications) we did not succeed in finding in the literature a significant correlation between impurities and the Emissivity value (ε).

Assuming that MFMP used an alumina very similar to the Hot-Cat alumina, the resulting error in the Radiated Power estimation could be close to 2. In a similar way, the surface temperature would be overestimated by a few hundreds degrees; thus, considering that a wrong temperature measurement has a direct impact also on convection transferred heat by: Q=h*A*(Ts-Tamb), the error on the estimation of the emitted Power may be even higher.

Errors of this level of magnitude would be so important to question seriously the Report content and its conclusions.

Analysis
As previously highlighted in a technical analysis coming from Alan Fletcher, AAs adopt as their calorimetric method a measurement of Radiated Power based on the well known Stefan-Boltzmann law linking the Power emitted to (T)4, where T is the object absolute temperature. This measurement technique requires full knowledge of the value of the surface Emissivity of the object whose temperature one would like to estimate; the reason is that the temperature of the body is a key element for the calculation of the Power radiated through the Stefan-Boltzmann law.

The TPR2 AA decided to measure the Hot-Cat temperature by using only a thermo camera (model Optris PI160) and it is worthwhile to remember that they also said that it was not possible to place a reference thermocouple directly onto the reactor surface to establish a reliable reference of the actual temperature:

We also found that the ridges made thermal contact with any thermocouple probe placed on the outer surface of the reactor extremely critical, making any direct temperature measurement with the required precision impossible.

(This is a claim already disputed in the past because incomprehensible; this claim was proven wrong by MFMP that, instead were successful in placing it). The AA decided to calibrate the camera, used for measuring the surface temperature, according to this procedure:

  1. The temperature provided by the camera is fed to a diagram that maps the Emissivity temperature of pure Alumina (Figure 6 of TPR2)
  2. The diagram is checked to verify if the Emissivity value actually corresponds to the read temperature
  3. When no match is found, the camera Emissivity settings are adjusted until a perfect match between the temperature indicated by the camera and the temperature on the ordinate of the Emissivity/Temperature diagram for Alumina is met
  4. Eventually, the camera Emissivity is set to the found value

This method is correct only if the Alumina surface behaves as a gray body and the used diagram contains Emissivity data [see Note 1] for Alumina very similar to the one actually used. One has to remember that the Emissivity ε of a material is the fraction of energy radiated from the material compared to the energy radiated by a blackbody of the same temperature. Since the blackbody Emissivity is by definition unitary , any real object has Emissivity less than 1: if this value does not depend on the wavelength (λ) such material is called gray body. If instead the Emissivity versus wavelength has a completely different shape, such a material cannot be defined a gray body. This is, for example, the case of Alumina.

In practice, the AA did not adopt any of the techniques suggested by Optris GmbH (IR camera manufacturer) on page 10 of this document to estimate the correct Emissivity value:

Experimental Determination of Emissivities. In the addendum you will find emissivity dates for various materials from technical literature and measurement results. There are different ways to determine the emissivity.
Method 1: With the help of a thermocouple. With the help of a contact probe (thermocouple) an additional simultaneous measurement shows the real temperature of an object surface. Now the emissivity on the infrared thermometer will be adapted so that the temperature displayed corresponds to the value shown with the contact measurement. The contact probe should have good temperature contact and only a low heat dissipation.
Method 2: Creating a black body with a test object from the measuring material. A drilled hole (drilling depth ≤ ⅓) in thermal conducting material reacts similar to a black body with an emissivity near 1. It is necessary to aim at the ground of the drilled hole because of the optical features of the infrared device and the measuring distance . Then the emissivity can be determined.
Method 3: With a reference emissivity. A plaster or band or paint with a known emissivity, which is put onto the object surface, helps to take a reference measurement. With an emissivity thus adjusted on the infrared thermometer the temperature of the plaster, band or paint can be taken. Afterwards the temperature next to this surface spot will be taken, while simultaneously the emissivity will have to be adjusted until the same temperature is displayed as is measured beforehand on the plaster, band or paint. Now the emissivity is displayed on the device.

The AA have made use of specific “Dots” (whose Emissivity value is known) only for the measurement of some parts (the cable rods) whose materials (at much lower temperatures) were not analyzed and verified:

“Dots” of known emissivity, necessary to subsequent data acquisition, were placed in various places on the cable rods. It was not possible to perform this operation on the dummy reactor itself (and a fortiori on the E-Cat), because the temperatures attained by the reactor were much greater than those sustainable by the dots.

It was not possible to extract any samples of the material constituting the rods, as this is firmer than that of the reactor.

It should be noted that (see Figure 1) the Alumina (Al203) Spectral Emissivity values are known in literature and in particular those within the measurement bandwidth of the Optris OP160 thermal imager, this band ranging from 7.5 to 13 µm.

The Emissivity values ε = f (λ, T) are well documented in the publication by the US Department of Commerce National Bureau of Standards, Volume 7 (1971):

Precision Measurement and Calibration – Radiometry and Photometry

Figura 1 - NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

Figure 1 – NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

As shown in Figure 2A, 2B and Figure 3, for example, for temperatures ranging from 1200K to 1600K (i.e., from about 930 to 1330°C), the Spectral Emissivity measured values, within the camera measurement range, are between 0.85 and 0.95.

Figura 2 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figure 2 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2B - Table 2 details

Figure 2B – Table 2 details

Figura 3 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Figure 3 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

In addition to scientific literature, the results of the MFMP measurements show as well how the Alumina Spectral Emissivity value of their simulacrum varies greatly depending on the wavelength λ, for wavelengths close to 10 µm, i.e. in the ordinary camera range, this value is about 0.95 as confirmed by the document : Handbook of the Infrared Optical Properties of Al203. Carbon, MgO and Zr02. Volume 1 (an excerpt of which is available at this link), while the measured value of Total Emissivity (see Figure 4) to be used for calculating the power radiated, for a T around 1000°C, is less than half that value. Note how precisely in the neighborhood of these temperatures (which are probably those taken from the Hot-Cat during the test) one has minimum Emissivity, which in some measurement results to be lower than 0.3.

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Figure 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Furthermore, these measures show that the dispersion of the Total Emissivity real data, at the same temperature, well exceeds the error and the uncertainty that the AA are mentioning in TPR2:

The error associated with the plot’s trend has been measured at ± 0.01 for each value of emissivity: this uncertainty has been taken into account when calculating radiant energy.

In the AA report [ref. 3], R. Morrell, Handbook of properties of technical & engineering ceramics, Part 2, p. 88, in the comments for chart in Figure A4. 10, the author suggests readers should not to take that chart too literally:

Such data should be considered tentative because it is known that emissivity can vary with grain size, porosity and surface finish through varying degrees of translucency and optical scattering.

(In TPR2 Figure 6, Plot 1 was reportedly derived from this table).

The main issue at this point is the fact that the right way to proceed for AA would have been to use the Spectral Emissivity values for temperature measurements (for example, 0.900.95 similar to the values reported by MFMP) and the Total Emissivity value for the calculation of the radiated power by means of the Stefan-Boltzmann formula (typically 0.40 at high temperature). To be noted how these issues show how awkward (and in some ways not very cautious) was the choice to adopt this type of calorimetry.

The value of Emissivity to be used for the thermal imager during acquisition is much higher than that to be used for calculating the Radiated Power. If we consider an operating temperature of 1000°C, the peak spectral emission maximum (Wien peak), is approximately 2.3 µm.

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Since the Alumina Total Emissivity, as also reported in Figure 6 of the Report, decreases with increasing temperature (i.e., the decrease of the peak emission wavelength), the Total Emissivity to be used for power calculation actually coincides with the value indicated by the diagram (@ 1000°C it is about 0.4), while in the case of the temperature measurement by thermal imager, even if we are observing a body at 1000°C, the value of Emissivity to be used (i.e. the Emissivity within the camera measurement Spectrum) will still be what is appropriate for the reading range of the camera used (7.5-13 μm in this case).

As already noted in other occasions, in order to reduce the Emissivity error problem, those taking measurements in foundries or in the analysis of ovens do not use ordinary cameras (as that used by the AA), but cameras with a reading window in the field 3-5 μm. In our case, the choice of a camera with a reading window equal to 7.5-13 μm for certain aspects appears to be conditioned by the fact that only in that spectral range Alumina shows an Emissivity close to 1.

As an example, Figure 5 shows the Spectral Irradiance at a temperature of 1200K.
For an immediate comparison we calculated and report:

a) the blackbody spectrum @ T=1200K (blue curve)

b) the grey body spectrum @ T=1200K, with 0.45 Total Emissivity (gray curve)

c) the Alumina spectrum (red curve), according to Al203 Spectral Emissivity data @ T=1200K, based on the National Bureau of Standards data (see Figure 2). The missing ε=f(λ) values were obtained by interpolation.

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Figure 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Integration of the Black Body Spectrum @ T=1200K provides the theoretical value of Irradiance (Radiant Power RP) that turns out to be 117,573 W/m2. On the other hand, if integration is carried out only within the thermal camera measurement range (7.5 13 μm), one gets the RP value in the measurement bandwidth. Under these conditions, as a consequence of the used values, it is evident that the Grey Body with 0.45 Emissivity (value set in accordance with the TPR2 Plot1 @ T 1200K) has an irradiation significantly lower compared to the Alumina body while being at the same 1200K temperature.

Under these conditions the Black Body RP is 9.96 kW/m2 and, taking the ratio between the Alumina RP (9.4 kW/m2) and that of the Grey Body RP (4.48 kW/m2), one get a 2.1 factor clearly indicating the presence of a large measurement error due to incorrect use of Emissivity parameters.

In the same way, Figure 6 shows the Spectral Irradiance at a temperature of 1400K. As before, for the sake of comparison we calculated and report here:

a) the blackbody spectrum @ T=1400K (blue)

b) the Grey body spectrum @ T=1400K, with 0.4 Total Emissivity (gray)

c) the Alumina spectrum (red) according to data for Al203 Spectral Emissivity @ T=1400K, coming from National Bureau of Standards (see Figure 2). Missing ε=f(λ) values were obtained by interpolation.

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Figure 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Similarly, integration of the Black Body Spectrum @ T=1400K provides the theoretical value of Irradiance (Radiant Power RP) equal to 217,819 W/m2. Integration limited to the camera spectral range of measurement (7.513 μm), provides the RP value in the measurement bandwidth. Under these conditions, as a consequence of the used values, it is evident that the Grey Body with 0.4 Emissivity (value set in accordance with the instructions in the Plot1 TPR2 @ T 1400K) has an irradiation significantly lower compared to the Alumina at the same temperature.

In these conditions the Black Body RP is 13kW/m2 and the ratio between the Alumina RP (12.4 kW/m2) and the Grey Body RP (5.2 kW/m2), provides a 2.38 factor indicating the presence of a measurement error due to incorrect use of the Emissivity parameters.

To be noted that in Figures 5 and 6 the diagrams on the left side show the evolution of the spectrum of Planck as a function of frequency (f). Given the characteristic of inverse proportionality between frequency and wavelength, the left part of the diagram as a function of the wavelength (λ) [the diagram on the right] corresponds to the right side of the diagram as a function of the frequency and vice versa.

Figure 7 shows the link between Radiant Power and Temperature with reference to a measurement in the spectral range 7.5 13 μm. The black curve reports precisely the Black body Radiant Power that acts as a reference and calibration curve for the camera.

The graph takes the Emissivity ε as parameter in order to show how it affects the estimation of actual body temperature when measured using this IR camera methodology.

Figura 7 - Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Figure 7 – Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

For example, let us consider the 1100K T1 temperature detected by a thermal imager with a wrongly set 0.45 Emissivity (correct value 0.90).

The RP deduced from the graph of Figure 7 for ε=0.45 (about 4 kW/m2) is in fact the one that competes to the curve with ε=0.90 but for an actual temperature T2 of only 800K (temperature overestimated by 300K).

Based on these temperature values, applying the Stefan-Boltzmann relation: P=ε*σ*(T^4-Tamb^4) to calculate the thermal power per unit area radiated by a body (σ=5.67*10^-8 [W/(m2*K4)] and Tamb 300K, i.e. 27°C), we obtain:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1100^4-300^4) = 40.4 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(800^4-300^4) = 14.7 [kW/m2]

To compare through the SB the power radiated, the Total Emissivity (for these temperatures from the TPR2 Plot1 ε1=0.49 and ε2=0.65) should consider. The ratio between Pmeas and Preal is 2.7 and this result indicates a large overestimation of the thermal power radiated from the body.

Nevertheless, the error may be even higher. Consider for example a temperature T1 of 1320K (about 1050°C) as seen by the camera which has been set (incorrectly) the value of emissivity 0.42 derived from the Plot1 TPR2 instead of the correct value 0.90.

The RP can be deduced from the graph in Figure 7 for ε between 0.40 and 0.45 (about 4.8 kW/m2) is actually the one that pertains to the curve ε = 0.90 but with an actual temperature T2 of only 880K (overestimation of the temperature = 440K).

Based on these temperature values, applying again the SB equations:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1320^4-300^4) = 72.1 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(880^4-300^4) = 19.8 [kW/m2]

As in the previous example, the Total Emissivity is considered for the SB (for these temperatures from the TPR2 Plot1 ε1=0.42 and ε2=0.59). The ratio between Pmeas and Preal is 3.6 i.e. still a huge overestimation of the thermal power radiated by the body and if, under these conditions, even higher Tmeas values were considered, it is not possible exclude that the error term (which continues to rise quickly, as well as the thermal power overestimation) would be even worse.

Coming back for a while to measurements and data in the MFMP report, it is interesting to see how what we report here is not just theory. The MFMP Test case is represented in Figure 8.

Figura 8 - MFMP Test case

Figure 8 – MFMP Test case

The MFMP have made a change in the emissivity value, by changing the camera settings, applying the change for comparison only to certain observed areas. The value has been changed from 1 to 0.7 for zones 7, 8 and 9.

Let us consider, for example, the area 7 of the device captured by the camera. The corresponding effect on the temperature indicated by the camera is to increase the read values from 985.7°C to 1276.5°C (a change of more than 290°C).

The following Figure 9 (where the area of interest in Figure 7 has been expanded) shows good agreement between the MFMP experimental data and the calculation of the temperature error that would be expected after the erroneous setting of Emissivity, due for example to the uncertainty on the actual value to be applied.

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Figure 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Finally, applying the SB to this Test case and using data of Total Emissivity (as from TPR2 Plot1), one would gain an overestimation of actual radiated thermal power by a 2.6 factor.

Experimental verification on a Alumina tube
A further experimental verification of the fact that the Emissivity of the Alumina in the field of 8-14 μm is approximately 0.95 was obtained by performing a simple test that makes use of a Pyrometer (a thermal imager was not available).

As can be verified by consulting the instrument Instruction Sheet, the Fluke 80T-IR Pyrometer has a window spectral response 8-14 μm very similar to that of the camera used by the AA in TPR2 (7.5-13 μm) and the instrument is calibrated for a 0.95 Emissivity.
Since the highest operating temperature for this instrument is 260°C, it was decided to limit the alumina temperature at about 160°C. The Pyrometer analog output signal (1 mV/°C) was sent to a milliVolt meter with full scale 200mV.

According to references, the Alumina Spectral Emissivity curve is weakly affected by the temperature so that the measurement is still significant. The AA as well made their calibration (or intended calibration) at a temperature of 450°C while the measures on the Hot-Cat were performed at much higher temperatures.

We used a pure Alumina tube (99.7%) by Sceram, 27mm outer diameter, 20mm inner diameter, 150mm length (code AAH01700, type C799 – DIN VDE 0335).

Four ceramic 68 ohm resistors (10W), in parallel, were inserted in the tube, as shown in Figures I and II.

Figura I

Figure I

Figura II

Figure II

A direct current coming from a stabilized power supply fed the resistors. To ensure good heat exchange between the resistors and the alumina tube, Portland dry powder cement filled any internal cavities, as shown in Figure III.

Figura III

Figure III

A type K thermocouple connected to a thermometer was placed within the alumina tube, as shown in Figure IV.

Figura IV

Figure IV

As shown in Figure V, the whole system was insulated with mineral wool to reduce the thermal exchange thus keeping the temperature remarkably uniform.

Figura V

Figure V

In the central area, the thermal insulation was removed to allow reading of the tube surface temperature by means of the optical Pyrometer.

The power supply voltage was adjusted to ensure that the system was maintained at a temperature of about 160°C (power approximately equal to 10W); comparative readings were then performed. For greater safety, once a thermal steady state was reached, 3 readings were performed with time intervals of tens of minutes (Figures VI, VII, VIII); the three measures provided very similar results.

Figura VI

Figure VI

Figura VII

Figure VII

Figura VIII

Figure VIII

The insulation was not particularly accurate since the presence of a thermal dissipation, and then a thermal gradient between the internal area measured by the thermocouple and the surface measured by the thermometer, provides an Emissivity value lower than the actual one.

The temperature read by the Pyrometer is lower than that read by the thermocouple of about 5°C, difference in part attributable to the thermal flow. Neglecting the difference in temperature resulting from this flow, and considering that the instrument Emissivity is calibrated @ 0.95, the effective Emissivity of the Alumina tube is in a first approximation equal to:

ε = 0.95*[(160 + 273)]^4 / [(165 + 273)]^4 = 0.907

At this temperature, using the TPR2 Emissivity values (0.70 at 160 °C), the Pyrometer read error would be around 34°C.

Conclusions
The MFMP experimental data are in agreement with those reported in the literature and confirm that the procedure and the Emissivity values, used by the TPR2 AA for measurements by the thermal imager, are incorrect. The GSVIT experimental test further showed that the pure Alumina Spectral Emissivity, in the reading field of the camera used to testing the Hot-Cat, is greater than 0.90. These data are very different from those plotted and used in the TPR2 by the AA that appear to be those related to Alumina Total Emissivity. In the 1200-1400°C temperature range, the TPR2 Plot1 considers an emissivity of about 0.40 while, according to the literature, the Spectral Emissivity, in the camera reading field, is stable around values close to 0.95. This kind of error can lead to a significant overestimation of the surface temperature and to an overestimation of thermal Power by a factor 2 or more. An error of such proportions (which appears likely in the light of the measurements) makes not reliable, in our opinion, the TPR2 measurement results of the heat produced by the Hot-Cat; on the contrary, a simple Mass Flow Calorimetry, similar to the one shown in a previous Post of ours, would have been feasible and most accurate.

Equipment used:
Skytronic 650 682 stabilized power supply
Hanna Hi935005 Thermometer
ICE 5600 Tester
Fluke 80T-IR Pyrometer
Radio Controlled Clock
Note 1: The graph of TPR2 Figure 6 shows the values of the alumina Total normal emissivity, that is in a direction perpendicular to the surface, εn (T, θ=0, φ). Since alumina is a dielectric material, the Emissivity value remains (within certain limits) weakly dependent on angle and can be taken as Total Emissivity.
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TPR2 – Calorimetria del Hot-Cat eseguita utilizzando una Termocamera IR

Stesura del Report in data: 08/02/2015

Introduzione
Recenti misure sperimentali del Martin Fleischmann Memorial Project (MFMP) hanno messo in evidenza un significativo errore nella misura calorimetrica effettuata sull’Hot-Cat, misura calorimetrica riportata nel documento noto come “TPR2” (Lugano Report). In particolare nel resoconto sperimentale del MFMP viene riportata la seguente considerazione:

The main revelation was that the emissivity required for the camera to correctly interpret the temperatures on the surface was very close to .95. When we plugged in the emissivities cited from literature in the Lugano report (0.8 to 0.4), the apparent temperature was 1200 to 1500C at 900W in.

GSVIT già molto tempo addietro aveva avanzato l’ipotesi che le misure e l’analisi calorimetrica effettuata dagli autori (AA) del Report (prof. G.Levi, E.Foschi, B.Höistad, R.Pettersson, Lars Tegnér, H.Essén) contenessero l’errore fondamentale di considerare l’Allumina, dal punto di vista termico EM, come un corpo assimilabile ad un corpo grigio.

Le misure sperimentali, effettuate dal MFMP, eseguite su una loro replica del dispositivo (un simulacro del Hot-Cat), confermano quella ipotesi del GSVIT e se le misure del MFMP sono corrette, si può affermare che il metodo adottato dagli AA del TPR2 per calcolare la temperatura superficiale del reattore (e quindi la quantità di calore irraggiato) era errato.
Quanto l’utilizzo del metodo errato possa pesare sulla misura della temperatura esterna e sulla misura della Potenza irraggiata non è possibile definirlo con precisione, dato che non è sufficiente che il simulacro sia identico nella forma, nelle misure e realizzato anch’esso di Allumina pura. L’Allumina infatti può presentarsi in 7 forme polimorfe con diversa struttura cristallina e industrialmente la dicitura “Allumina pura” è utilizzata già per purezze del 99%. Ricordiamo a questo proposito gli esiti dell’analisi dei campioni di Allumina del Hot-cat eseguiti e riportati nel TPR2:

The results confirmed that it was indeed alumina, with a purity of at least 99%. Details of this analysis will be found in Appendix 2.

La presenza di piccole percentuali di impurezze può alterare le caratteristiche (e questo è sfruttato per renderla più adatta alle varie applicazioni) ma non abbiamo trovato in letteratura una influenza determinante di tali impurezze sul valore della Emissività ε.

Nell’ipotesi che l’Allumina utilizzata dal MFMP e quella utilizzata nell’Hot-Cat siano molto simili, l’errore introdotto nella stima della Potenza emessa potrebbe essere dell’ordine di un fattore 2, mentre la temperatura superficiale sarebbe stata sopravvalutata di centinaia di gradi e considerando anche che una misura della temperatura errata ha impatto diretto anche sulla parte di calore ceduto per convezione: Q=h*A*(Ts-Tamb), l’errore sulla stima della Potenza emessa potrebbe essere anche superiore.

Errori di questa entità sarebbero talmente rilevanti da mettere fortemente in discussione il contenuto del Report e le sue conclusioni.

Analisi
Come già messo in evidenza nell’analisi tecnica di Alan Fletcher gli AA adottano per la misura calorimetrica una misura della Potenza irraggiata basata sulla nota legge di Stefan-Boltzmann che lega la Potenza emessa alla (T)4, dove T è la temperatura assoluta di un oggetto. Questa tecnica di misura si basa sulla conoscenza del valore esatto di Emissività della superficie della quale si vorrebbe stimare la temperatura, questo perchè il valore di temperatura del corpo è un elemento fondamentale per il calcolo della Potenza irraggiata secondo la legge di Stefan-Boltzmann.

Gli AA del TPR2 hanno deciso di misurare la temperatura del Hot-Cat utilizzando solo la termocamera (termocamera tipo Optris PI160) e va ricordato che hanno anche affermato che non era possibile posizionare una termocoppia di confronto applicata direttamente sulla superficie del reattore per stabilire dei riferimenti affidabili dell’effettiva temperatura:

We also found that the ridges made thermal contact with any thermocouple probe placed on the outer surface of the reactor extremely critical, making any direct temperature measurement with the required precision impossible.

(una affermazione questa già contestata all’epoca perchè incomprensibile, il fatto che il MFMP invece sia riuscito nell’intento smentisce di fatto quelle loro affermazioni) ed hanno deciso di calibrare la termocamera, utilizzata per la misura della temperatura superficiale, basandosi sul seguente procedimento:

  1. si rileva il valore della temperatura indicato dalla termocamera e con quello si entra nel diagramma che associa l’Emissività alla temperatura dell’Allumina pura (Figura 6 del TPR2)
  2. successivamente sul diagramma si controlla se quel valore di Emissività corrisponde effettivamente al valore di temperatura letta.
  3. supponendo che non corrisponda, si varia l’impostazione dell’Emissività sulla termocamera fino a trovare il valore che porta alla coincidenza tra il valore di temperatura indicato dalla termocamera e il valore di temperatura in ordinata sul diagramma Emissività/Temperatura relativo all’Allumina
  4. ed infine si imposta nella termocamera un valore di Emissività pari a quell’ipotetico valore

Questo metodo sarebbe corretto se la superficie dell’Allumina si comportasse come un corpo grigio e nell’ipotesi che i dati del diagramma utilizzato [relativi all’Emissività Totale (Nota1)] si riferissero ad una Allumina identica a quella effettivamente utilizzata. Si ricorda che l’Emissività ε di un materiale è la frazione di energia irraggiata dal materiale rispetto all’energia irraggiata da un corpo nero alla stessa temperatura. Assunta unitaria l’Emissività del corpo nero un qualunque oggetto reale ha Emissività inferiore: se il valore non dipende dalla lunghezza d’onda λ tale materiale viene denominato corpo grigio. Se il valore dell’Emissività invece varia apprezzabilmente in funzione della lunghezza d’onda non si può definire tale materiale come corpo grigio. Questo è, ad esempio, il caso dell’Allumina.

Gli AA sostanzialmente non hanno adottato nessuna delle tecniche suggerite da Optris GmbH (IR camera manufacturer) a pagina 10 di questo documento, al fine di stimare il corretto valore dell’Emissività:

Experimental Determination of Emissivities In the addendum you will find emissivity dates for various materials from technical literature and measurement results. There are different ways to determine the emissivity.
Method 1: With the help of a thermocouple. With the help of a contact probe (thermocouple) an additional simultaneous measurement shows the real temperature of an object surface. Now the emissivity on the infrared thermometer will be adapted so that the temperature displayed corresponds to the value shown with the contact measurement. The contact probe should have good temperature contact and only a low heat dissipation.
Method 2: Creating a black body with a test object from the measuring material. A drilled hole (drilling depth ≤ ⅓) in thermal conducting material reacts similar to a black body with an emissivity near 1. It is necessary to aim at the ground of the drilled hole because of the optical features of the infrared device and the measuring distance. Then the emissivity can be determined.
Method 3: With a reference emissivity. A plaster or band or paint with a known emissivity, which is put onto the object surface, helps to take a reference measurement. With an emissivity thus adjusted on the infrared thermometer the temperature of the plaster, band or paint can be taken. Afterwards the temperature next to this surface spot will be taken, while simultaneously the emissivity will have to be adjusted until the same temperature is displayed as is measured beforehand on the plaster, band or paint. Now the emissivity is displayed on the device.

Gli AA si sono avvalsi degli specifici “Dots” (il cui valore di Emissività è noto) solo per quanto riguarda la misura di alcune parti (i cable rods) i cui materiali (a temperature molto  inferiori) non sono stati analizzati e verificati:

“Dots” of known emissivity, necessary to subsequent data acquisition, were placed in various places on the cable rods. It was not possible to perform this operation on the dummy reactor itself (and a fortiori on the E-Cat), because the temperatures attained by the reactor were much greater than those sustainable by the dots.

It was not possible to extract any sample of the material constituting the rods, as this is firmer than that of the reactor.

Va rilevato che in letteratura (vedere Figura 1) sono noti i valori di Emissività spettrale dell’Allumina (Al2O3) ed in particolare quelli nella banda di misura della termocamera Optris OP160, banda che va da 7.5 a 13 µm.

I valori di Emissività ε = f(λ,T) sono documentati nel pubblicazione del 1971 del U.S. Department of Commerce National Bureau of Standard, volume 7:

Precision Measurement and Calibration – Radiometry and Photometry

Figura 1 - NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

Figura 1 – NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

e come mostrato in Figura 2A,2B e Figura 3 ad esempio per temperature comprese tra 1200 e 1600 K cioè da circa 930 a 1330 °C, l’Emissività Spettrale assume un valore misurato compreso tra 0.85 e 0.95 nel campo di misura della termocamera.

Figura 2 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2A – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2B - Table 2 details

Figura 2B – Table 2 details

Figura 3 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Figura 3 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Oltre alla letteratura scientifica, anche i risultati delle misure effettuate dal MFMP mostrano come il valore di Emissività Spettrale dell’Allumina del loro simulacro vari grandemente in funzione della lunghezza d’onda λ, per lunghezze d’onda prossime ai 10 µm, cioè nel campo letto dalle normali termocamere, tale valore risulta circa 0.95, valori sostanzialmente confermati anche dal documento: Handbook of the Infrared Optical Properties of Al2O3. Carbon, MGO and ZrO2. Volume 1 (di cui uno stralcio è reperibile a questo link), mentre il valore misurato di Emissività Totale (vedere Figura 4) da utilizzare per il calcolo della potenza irraggiata, per una T intorno ai 1000°C, risulta meno della metà. Si noti come proprio nell’intorno di queste temperature (che sono quelle probabilmente assunte dall’Hot-Cat durante il test) si abbia il minimo di emissività, che in qualche misurazione risulta essere inferiore a 0.3.

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

 

Inoltre queste misure mostrano come la dispersione reale dei dati di Emissività Totale, a parità di temperatura, vada ben oltre l’errore e l’incertezza che gli AA citano nel TPR2:

The error associated with the plot’s trend has been measured at ± 0.01 for each value of emissivity: this uncertainty has been taken into account when calculating radiant energy.

ed anche R.Morrell, autore del testo preso a riferimento [3] dagli AA, nel suo libro: Handbook of properties of technical & engineering ceramics, Part 2, precisa a pagina 88, a commento del suo grafico di pagina 87 Figura A4.10 (quello posto come Figura 6 del TPR2 e che poi ha dato origine al Plot1 del TPR2), mettendo in guardia il lettore dal prendere quel grafico troppo alla lettera:

Such data should be considered tentative because it is known that emissivity can vary with grain size, porosity and surface finish through varying  degrees of optical translucency and scattering.

La questione principale rimane comunque quella che gli AA avrebbero dovuto utilizzare il valore di Emissività Spettrale per le misure con la termocamera (ad esempio 0.900.95 similmente ai valori rilevati dal MFMP) mentre il valore dell’Emissivita’ Totale per il calcolo della Potenza irraggiata applicando la formula di Stefan-Boltzmann (tipicamente 0.40 ad alta temperatura). Si noti come queste questioni dimostrano quanto delicata (e per certi versi poco oculata) sia stata la scelta di adottare questo tipo di calorimetria.

Il valore di Emissività da utilizzare per la termocamera risulta molto superiore a quello da utilizzare per il calcolo della Potenza irraggiata. Se si considera una temperatura di esercizio di 1000°C, il picco spettrale di emissione massima (picco di Wien), si trova a circa 2.3 µm.

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Dal momento che l’Emissività Totale dell’Allumina, come anche riportato nella Figura 6 del Report, diminuisce all’aumentare della temperatura (cioè al diminuire della lunghezza d’onda del picco di emissione), l’Emissività Totale da utilizzare per il calcolo della potenza coincide effettivamente col valore indicato dal diagramma (a 1000°C indica circa 0.4), mentre nel caso della misura tramite termocamera, anche se stiamo osservando un corpo a 1000°C, il valore di Emissività da utilizzare (cioè l’Emissività nello Spettro di misura della termocamera) sarà comunque quello che compete al campo di lettura della termocamera utilizzata (7.5-13 µm in questo caso).

Come già sottolineato in altre occasioni, al fine di ridurre il problema dell’errore di Emissività, in fonderia e nell’analisi dei forni non si utilizzano delle normali termocamere (come invece hanno utilizzato gli AA), ma le termocamere con finestra di lettura nel campo 3-5 µm. In questo caso la scelta di una termocamera con finestra di lettura 7.5-13 µm per taluni aspetti appare condizionata dal fatto che solo in quel campo spettrale l’Allumina presenza Emissività prossima a 1.

A titolo di esempio in Figura 5 è riportata l’Irradianza Spettrale alla temperatura di 1200K.

Per un confronto immediato sono stati calcolati e riportati:

a) in blu lo Spettro di un Corpo Nero @ T=1200K

b) in grigio lo Spettro che un Corpo Grigio @ T=1200K, di Emissività Totale 0.45

c) in rosso lo Spettro del corpo di Allumina secondo i dati di Emissività Spettrale del Al2O3 @ T=1200K, ricavato sulla base dei dati del National Bureau of Standard (vedere Figura 2). I valori ε = f(λ) mancanti sono stati ottenuti per interpolazione.

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Integrando lo Spettro  per il Corpo Nero @ T=1200K si ottiene il valore teorico di Irradianza (Radiant Power RP) pari a 117573 W/m2. Integrando invece solo l’area dello Spettro che cade all’interno del range spettrale di misura della Termocamera (che ricordiamo essere 7.513 µm), si ottiene il valore di RP nella banda di misura. In queste condizioni per effetto dei valori utilizzati, risulta evidente che il Corpo Grigio con Emissività 0.45 (valore settato in accordo con quanto riportato nel Plot1 del TPR2 @ T 1200K) presenta irradiazione largamente inferiore rispetto al Corpo di Allumina pur essendo alla medesima Temperatura di 1200K.

In queste condizioni per Corpo Nero la RP vale 9.96kW/m2 e calcolando il rapporto tra la RP dell’Allumina 9.4kW/m2 e quella del Corpo Grigio 4.48kW/m2, si ottiene un fattore 2.1 che testimonia la presenza dell’errore di misura dovuto all’errato utilizzo dei parametri di Emissività.

Analogamente in Figura 6 è riportata l’Irradianza Spettrale alla temperatura di 1400K. Come in precedenza per un confronto immediato sono stati calcolati e riportati:

a) in blu lo Spettro di un Corpo Nero @ T=1400K

b) in grigio lo Spettro che un Corpo Grigio @ T=1400K, di Emissività Totale 0.4

c) in rosso lo Spettro del corpo di Allumina secondo i dati di Emissività Spettrale del Al2O3 @ T=1400K, ricavato sulla base dei dati del National Bureau of Standard (vedere Figura 2). I valori ε = f(λ) mancanti sono stati ottenuti per interpolazione.

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Analogamente integrando lo Spettro per il Corpo Nero @ T=1400K si ottiene il valore teorico di Irradianza (Radiant Power RP) pari a 217819 W/m2. Integrando invece solo l’area dello Spettro che cade all’interno del range spettrale di misura della Termocamera (che ricordiamo essere 7.513 µm), si ottiene il valore di RP nella banda di misura. In queste condizioni per effetto dei valori utilizzati, risulta evidente che il Corpo Grigio con Emissività 0.4 (valore settato in accordo con quanto riportato nel Plot1 del TPR2 @ T 1400K) presenta irradiazione largamente inferiore rispetto al Corpo di Allumina pur essendo alla medesima Temperatura di 1400K.

In queste condizioni per Corpo Nero la RP vale 13kW/m2 e calcolando il rapporto tra la RP dell’Allumina 12.4kW/m2 e quella del Corpo Grigio 5.2kW/m2, si ottiene un fattore 2.38 che testimonia la presenza dell’errore di misura dovuto all’errato utilizzo dei parametri di Emissività.

Notare che i diagrammi a sinistra nelle due Figure 5 e 6 mostrano l’andamento dello spettro di Planck in funzione della frequenza (f). Data la caratteristica di proporzionalità inversa tra frequenza e lunghezza d’onda, la parte sinistra del diagramma in funzione della lunghezza d’onda (λ) [il diagramma posto sulla destra] corrisponde alla parte destra del diagramma in funzione della frequenza e viceversa.

La Figura 7 mostra il legame tra Radiant Power e la Temperatura riferita ad una misurazione nel range spettrale 7.513 µm. La curva color nero rappresenta appunto la Radiant Power del Corpo Nero che fa da riferimento e curva di calibrazione per la termocamera.

Il grafico ha a parametro l’Emissività ε al fine di mostrare quanto essa incida sulla stima della reale temperatura del corpo quando quest’ultima venga misurata utilizzando questo tipo di metodologia con termocamera IR.

Figura 7 - Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Figura 7 – Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Si consideri ad esempio la temperatura T1 di 1100K rilevata con una termocamera nella quale sia stata settata (erroneamente) una Emissività di 0.45 al posto del valore corretto 0.90.

La RP desumibile dal grafico di Figura 7 per una ε=0.45 (circa 4kW/m2) è in realtà quella che compete alla curva ε=0.90 ma con una Temperatura effettiva T2 di soli 800K (sovrastima della temperatura di 300K).

Sulla base di questi valori di temperatura, se si applica la relazione Stefan-Boltzmann: P=ε*σ*(T^4-Tamb^4) allo scopo di calcolare la potenza termica radiata da un corpo per unità di superficie (σ=5.67*10^-8 [W/(m2*K4)] e Tamb 300K, cioè 27°C), si ottiene:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1100^4-300^4) = 40.4 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(800^4-300^4) = 14.7 [kW/m2]

per eseguire il raffronto della Potenza irradiata con la SB va considerata l’Emissività Totale (per queste temperature da Plot1 del TPR2 ε1=0.49 e ε2=0.65). Il rapporto tra Pmeas e Preal vale 2.7 e questo risultato indica una grande sovrastima della Potenza termica irradiata dal corpo del quale invece si vorrebbe valutare con precisione il calore ceduto all’ambiente per irradiazione elettromagnetica.

Ma l’errore può essere anche superiore. Si consideri ad esempio una temperatura T1 di 1320K (circa 1050°C) come rilevata dalla termocamera nella quale sia stato settato (erroneamente) il valore di Emissività di 0.42 desunto dal Plot1 del TPR2 al posto del valore corretto 0.90.

La RP desumibile dal grafico di Figura 7 per una ε compresa tra 0.40 e 0.45 (circa 4.8kW/m2) è in realtà quella che compete alla curva ε=0.90 ma con una Temperatura effettiva T2 di soli 880K (sovrastima della temperatura di 440K).

Sulla base di questi valori di temperatura, applicando poi la relazione Stefan-Boltzmann si ottiene:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1320^4-300^4) = 72.1 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(880^4-300^4) = 19.8[kW/m2]

come nell’esempio precedente per la SB si considera l’Emissività Totale (per queste temperature da Plot1 del TPR2 ε1=0.42 e ε2=0.59). Il rapporto tra Pmeas e Preal risulta 3.6 cioè ancora una enorme sovrastima della Potenza termica irradiata dal corpo e se, in queste condizioni, si considerassero valori di Tmeas della termocamera ancora superiori, non si puo’ escludere che i risultati in termine di errore (che continua ad incrementarsi velocemente, come pure la sovrastima della Potenza termica) sarebbero ancora peggiori.

Ritornando per un attimo alle misure e ai dati del resoconto del MFMP è interesante verificare come quella esposta non sia solo teoria. Il Test case del MFMP è rappresentato in Figura 8.

Figura 8 - MFMP Test case

Figura 8 – MFMP Test case

Il MFMP ha operato una variazione del valore di Emissività, modificando il settaggio sulla termocamera, applicandolo per confronto solo ad alcune zone osservate. Il valore è stato variato da 1 a 0.7 per le zone n.7, n.8 e n.9.

Consideriamo ad esempio la zona n.7 del dispositivo inquadrato dalla telecamera. L’effetto conseguente sulla temperatura indicata dalla temocamera è che i valori letti passano da 985.7°C a 1276.5°C (un variazione di oltre 290°C).

La figura seguente (Figura 9, ampliata rispetto alla precente Figura 7 per rappresentare meglio la zona di interesse) mostra l’esistenza di un buon accordo tra i dati sperimetali del MFMP e il calcolo dell’errore di temperatura che ci si aspetterebbe a fronte di quel erroneo settaggio dell’Emissività, dovuto ad esempio all’incertezza sul valore effettivo che è da applicare.

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Infine applicando a questo Test case la SB ed utilizzando i dati di Emissività Totale  (come da Plot1 del TPR2), si ricaverebbe una sovrastima della Potenza termica effettivamente irradiata di un fattore 2.6.

Verifica sperimentale tubo di Allumina
Una ulteriore verifica sperimentale del fatto che l’Emissività dell’Allumina nel campo 8-14 µm vale circa 0.95 è stata ottenuta eseguendo un semplice test che fa uso di un Pirometro (non avendo a disposizione una termocamera).

Come si può verificare consultando l’Instruction Sheet dello strumento, il Pirometro 80T-IR della Fluke ha una finestra spettrale di risposta 8-14 µm molto simile a quella della termocamera utilizzata dagli AA nel TPR2 (7.5-13 µm) e lo strumento è calibrato per una Emissività pari a 0.95.
Poiché il limite operativo di temperatura per tale strumento è di 260°C  si è deciso di limitare la temperatura dell’allumina a circa 160°C. L’uscita analogica del Pirometro, pari a 1mV/°C , è stata collegata a un milliVoltmetro con fondo scala 200mV.

Secondo la bibliografia la curva dell’Emissività spettrale dell’Allumina è poco influenzata dalla temperatura per cui la misura risulta comunque significativa. Gli stessi AA hanno eseguito quella che secondo loro era la calibrazione alla temperatura di 450°C mentre le misure del Hot-Cat sono state eseguite a temperature decisamente superiori.

Si è utilizzato un tubo in Allumina pura (99.7%) della Sceram, diametro esterno 27mm, diametro interno 20mm, lunghezza 150mm (codice AAH01700, tipo C799 – DIN VDE 0335).

All’interno del tubo, come visibile nelle Figure I e II sono state inserite 4 resistenze da 68 ohm 10W in ceramica, collegate in parallelo.

Figura I

Figura I

Figura II

Figura II

Le resistenze sono state alimentate in Corrente Continua mediante alimentatore stabilizzato. Per garantire un buon scambio di calore tra le resistenze e il tubo in Allumina si è riempita ogni cavità interna mediante polvere secca di cemento Potland, come visibile in Figura III.

Figura III

Figura III

All’interno del tubo di Allumina è stata posta una termocoppia tipo K collegata a un termometro, come visibile in Figura IV.

Figura IV

Figura IV

Come visibile in Figura V, l’intero sistema è stato coibentato mediante lana di roccia per ridurre lo scambio termico garantendo così una notevole uniformità di temperatura.

Figura V

Figura V

Nella zona centrale l’isolamento termico viene interrotto per permettere la lettura della temperatura superficiale del tubo mediante il Pirometro ottico.

La tensione dell’alimentatore è stata regolata per far sì che il sistema si stabilizzasse alla temperatura di circa 160°C (potenza circa pari a 10W), poi sono state eseguite le letture comparative. Per maggior sicurezza, una volta raggiunta la stabilità termica, sono state eseguite 3 letture a distanza di decine di minuti (Figure VI, VII, VIII), le tre misure hanno fornito risultati molto simili.

Figura VI

Figura VI

Figura VII

Figura VII

Figura VIII

Figura VIII

La coibentazione non è stata particolarmente curata dal momento che la presenza di una dissipazione termica, quindi di un gradiente termico tra la zona interna misurata dalla termocoppia e la superficie misurata dal termometro, porta al limite ad una stima del valore di Emissività inferiore al reale.

La temperatura letta dal Pirometro è risultata inferiore a quella letta dalla termocoppia di circa 5°C, differenza in parte imputabile al flusso termico. Trascurando la differenza di temperatura derivante da tale flusso e considerando che lo strumento è calibrato per una Emissività di 0.95, l’effettiva Emissività del tubo di Allumina risulta in prima approssimazione pari a:

 ε= 0.95* [(160 + 273) ]^4 / [(165 + 273) ]^4 = 0.907

A questa temperatura, utilizzando i valori di Emissività del TPR2 che a 160°C risultava valere circa 0.70, l’errore di lettura del Pirometro sarebbe stato di circa 34°C.

Conclusioni
I dati sperimentali ricavati dal MFMP sono in accordo con quelli presenti in letteratura e confermano che la procedura ed i valori di Emissività, utilizzati dagli AA del TPR2 per le misure con la termocamera, sono errati. Il test sperimentale GSVIT ha ulteriormente dimostrato che l’Emissività Spettrale dell’Allumina pura, nel campo di lettura della termocamera utilizzata durante i test sull’Hot-Cat, è superiore a 0.90. Questi dati risultano molto diversi da quelli diagrammati ed utilizzati nel TPR2 dagli AA che risultano essere quelli relativi all’Emissività Totale dell’Allumina. Nel range di temperature 1200-1400°C il Plot1 del TPR2 fa riferimento ad una Emissività di circa 0.40 mentre secondo la letteratura l’Emissività Spettrale, nel campo di lettura della termocamera, si mantiene intorno a valori prossimi a 0.95. Questo genere di errore può portare ad una notevole sovrastima della temperatura superficiale e ad una sovrastima della Potenza termica di un fattore 2 o più. Un errore di queste proporzioni (che alla luce delle misure eseguite appare probabile) rende i risultati delle misure del calore prodotto dal Hot-Cat, riportate nel TPR2, a nostro avviso non attendibili, mentre sarebbe stata fattibile una semplice ed accurata Calorimetria a flusso similmente a quella illustrata nel precedente Post.

Strumentazione utilizzata:
Alimentatore stabilizzato Skytronic 650.682
Termometro Hanna Hi935005
Tester ICE 5600
Pirometro Fluke 80T-IR
Orologio radiocontrollato
Nota1: Il grafico di Figura 6 del TPR2 riporta i valori di Total normal emissivity dell’Allumina, cioe’ nella direzione perpendicolare alla superficie, εn(T, θ=O, φ). Trattandosi di materiale dielettrico il valore di Emissività rimane (entro certi limiti) poco dipendente dall’angolo ed in quel caso puo’ essere assunto come Emissività Totale.
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