Natura, non fa nulla di inutile

La Natura non fa

nulla di inutile.

(Aristotele) 1

Liceo Scientifico Statale Enrico Fermi Nuoro

Io, la Natura, sono chiamata Madre, ma sono una tomba

(Alfred de Vigny) Alunno 2

Antonio Puddu V E

Anno scolastico 2007-2008

Indice

• Il “perché” di questo lavoro
• I. Fisica
• 1.1. Caratteristiche principali dell’energia nucleare
• Fissione nucleare
• Fusione nucleare
• 1.2. I costi reali del nucleare
• 1.3. Vantaggi e svantaggi del nucleare
• 1.4. I grandi incidenti nucleari
• 1.5. Alternative alle centrali nucleari
• Energia eolica
• Energia solare
• Energia idroelettrica
• Energia geotermica
• II. Scienze della Terra
• 2.1. La Luna e le maree
• 2.2. La teoria di Isaac Newton
• III. Filosofia
• 3.1. Charles Darwin filosofo
• Il pensiero di Darwin e le sue ripercussioni filosofiche
• L’influenza della filosofia deista
• Una teoria alquanto scomoda
• Breve intervista a Richard Rorty
• 3.2. Intervista a Ernst Mayr tratta da “Le Scienze” n. 385, settembre del 2000
• Una concezione laica della vita
• Come Darwin ha cambiato la nostra visione del mondo
• Un nuovo modo di pensare
• IV. Matematica 3
• 4.1. Breve biografia di Leonardo Fibonacci
• 4.2. Presentazione della serie di Fibonacci
• 4.3. La sezione aurea nei secoli, le sue applicazioni e le curiosità
• 4.4. La sezione aurea nelle piramidi e nell’arte
• 4.5. I numeri di Fibonacci in natura
• La sezione aurea nel corpo umano
• V. Biologia
• 5.1. Charles Darwin
• 5.2. I capisaldi della teoria di Darwin
• Lotta per la sopravvivenza
• Variazioni individuali ereditabili
• Selezione naturale
• 5.3. Principali differenze tra Darwin e Lamarck
• 5.4. Due valide alternative alla teoria darwiniana sull’evoluzione
• La teoria degli equilibri punteggiati (teoria di Gould ed Eldredge)
• Strutturalismo biologico
• VI. Francese
• 6.1. Jean-Jacques Rousseau
• Definizione di natura per l’autore
• 6.2. Il Romanticismo
• 6.3. Il Romanticismo in Francia
• VII. Letteratura italiana
• 7.1. Giacomo Leopardi (1798–1837)
• Brevi cenni biografici
• La scoperta della “Natura”
• La teoria del piacere
• Verso una posizione romantica
• 7.2. Testi con relativi commenti
• Dialogo della natura e di un Islandese
• La ginestra o il fiore del deserto
• VIII. Bibliografia e sitografia

Il “perché” di questo lavoro

In primo luogo, questo lavoro è stato realizzato in seguito alla mia passione riguardo l’immenso universo della natura e dei misteri ad esso correlati, nonché al fascino in me suscitato dal dualismo scienza-etica che ha sempre costituito, nella filosofia antica come nel pensiero moderno contemporaneo, nella letteratura e nella poesia, nelle polemiche scientifiche, uno dei maggiori punti di contrasto e discussione. Lo studio della natura costituisce quasi l’essenza di ciò che riteniamo sia la ricerca scientifica. Essa è infatti un tentativo di comprendere la natura (anche quella umana) e di raggiungere, attraverso di questa conoscenza, un certo dominio e controllo pratico su di essa.

Nella parte del mio lavoro dedicata alla fisica ho scelto di sottolineare il rapporto controverso e spesso conflittuale tra uomo e natura attraverso un’analisi non unicamente scientifica dell’energia nucleare, delle ripercussioni del suo uso sulla natura e sull’uomo, del suo temibile potenziale distruttivo.

La consapevolezza dell’attualità di una trattazione sulla natura mi ha portato a riflettere sull’arroganza della potenza dominatrice dell’uomo, sui moderni disastri naturali e i problemi climatici, nonché sull’enorme e sorprendente essenza dei fenomeni naturali: in scienze della Terra ho voluto approfondire il fenomeno delle maree e sviscerare l’apparente mistero di questo evento.

Charles Robert Darwin, celebre naturalista, geologo e agronomo inglese ha legittimamente occupato le mie riflessioni riguardo la filosofia e la biologia: il suo immortale apporto scientifico continua a influenzare i principali ragionamenti riguardanti l’origine dell’essere umano.

Il romanticismo e le riflessioni di uno dei suoi più illustri rappresentanti, Giacomo Leopardi, sono stati oggetto del mio studio letterario, rispettivamente, in lingua francese e italiana: il movimento romantico ha infatti riprodotto in maniera fedele e straordinariamente icastica il difficile e struggente rapporto tra l’uomo e una natura madre-matrigna.

I. Fisica

1.1. Caratteristiche principali dell’energia nucleare

L’energia nucleare include tutti quei fenomeni che determinano la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici.

L’energia nucleare è una fonte energetica da valutare attentamente sia negli aspetti positivi sia negativi.

In primo luogo è necessario comprendere il suo funzionamento. Nelle centrali nucleari l’energia scaturisce dal bombardamento dell’uranio con neutroni. Il nucleo dell’uranio si divide in due nuclei più piccoli tramite un processo denominato “fissione nucleare”, durante il quale si genera energia e altri neutroni che, a loro volta, determineranno la divisione dei nuclei di uranio dando luogo alla nota “reazione a catena nucleare”. Durante questo processo viene emessa radioattività ad alta intensità. Gli oggetti e i metalli esposti alle radiazioni diventano essi stessi radioattivi, ossia scorie radioattive, le quali dovranno essere stoccate per migliaia di anni fino a quando non decade il livello di radioattività. Quest’ultimo non consente all’uomo di avvicinarsi alle scorie e, al momento, la scienza non è in grado di distruggere le scorie radioattive o di accelerare il periodo di decadimento della radioattività. 6

L’uranio è la materia prima delle centrali nucleari a fissione. Una minima quantità di uranio consente di produrre un’elevata quantità energia e, a differenza del carbone o del petrolio, senza emissioni di anidride carbonica (principale causa dell’effetto serra).

Le reazioni che coinvolgono l’energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare e quelle legate alla radioattività.

La fissione nucleare

La fissione è una reazione nucleare in cui il nucleo di uranio 235, plutonio 239 o di altri elementi pesanti adatti, sono divisi tramite il bombardamento con neutroni o altre particelle elementari in frammenti in un processo che libera energia. È la reazione nucleare più facile da ottenere, rispetto alla fusione, ed è comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bombe atomiche quali le bombe all’uranio (utilizzata per bombardare la città di Hiroshima) o al plutonio (come quella che colpì Nagasaki). Tutte le bombe a fissione nucleare sono militarmente etichettate come Bombe A.

La prima rudimentale fissione nucleare artificiale della storia avvenne nel 1934 per merito di un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi e conosciuti come i “ragazzi di via Panisperna”, mentre bombardavano uranio con neutroni termici, cioè rallentati per mezzo di paraffina. Il gruppo di fisici però non si rese conto di ciò che era realmente avvenuto e ritenne di aver prodotto degli elementi transuranici. In seguito, nel dicembre del 1938, due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn e Fritz Straßmann furono i primi a realizzare la scissione di un nucleo di uranio 235 in due o più frammenti, colpendo durante l’assorbimento di un neutrone, dando così luogo alla fissione del nucleo.

E fu proprio grazie a questo rivoluzionario esperimento che i chimici e i fisici nucleari di tutto il mondo intuirono la possibilità di utilizzare questo processo per produrre energia o ordigni nucleari costruendo dei reattori che contenessero la reazione.

La prima bomba atomica esplose nel 1945.

Schema di una reazione nucleare

1) Un nucleo di uranio 235 assorbe un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due frammenti e libera tre neutroni e dell’energia.

2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio 238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può “fuggire” dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua 7

la reazione. Il terzo neutrone è assorbito da un nucleo di uranio 235 che si spezza in due frammenti liberando due neutroni e dell’energia.

3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio 235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

La fusione nucleare

La fusione, processo nucleare che alimenta il Sole e le stelle, consiste nell’unione di due atomi leggeri isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, in uno più pesante. In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito presenta una massa totale minore rispetto alla somma delle masse reagenti, con conseguente liberazione di alta energia che conferisce al processo caratteristiche fortemente esotermiche.

Affinché avvenga una fusione tra due nuclei questi devono essere sufficientemente vicini in modo da lasciare che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva e pertanto si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell’ordine di qualche femtometro (10-15 metri). L’energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita alle particelle portandole in condizioni di altissima pressione (altissima temperatura e/o altissima densità). Nei processi terrestri la fusione nucleare è utilizzata in forma incontrollata per le bombe a idrogeno e in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora sperimentali. 8

L’energia potenziale totale di un nucleo è notevolmente superiore all’energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l’energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore rispetto a quella delle reazioni chimiche. Con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe produrre tanta energia quanta con 11 tonnellate di carbone.

Le tipologie di atomi interessati nel processo di fusione nucleare, in natura e in ingegneria, sono isotopi dell’atomo d’idrogeno, caratterizzati da un minimo numero atomico cui corrisponde la minima energia d’innesco. Tuttavia, all’interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino all’ossigeno.

Se controllata la fusione nucleare, potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici del pianeta perché in grado di produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas serra e senza la produzione di scorie radioattive: la piccola quantità di radioattività residua interesserebbe solo alcuni componenti del reattore a fusione, peraltro facilmente rimpiazzabili; i tempi di dimezzamento della radioattività residua sarebbero però confrontabili con la vita media della centrale (decine d’anni). Volendo fare un esempio, la quantità di deuterio e trizio ricavabile da tre bicchieri di acqua di mare e due sassi di medie dimensioni potrebbe supplire al consumo medio di energia di una famiglia di quattro persone. Purtroppo oggi non siamo ancora in grado di sfruttare la fusione nucleare per produrre energia in modo commerciale.

Schema di una reazione tra deuterio e trizio:

1.2. I costi del nucleare

Il costo variabile dell’energia nucleare può trarre in inganno poiché non include l’intera spesa da sostenere per realizzare, gestire e infine smantellare una centrale nucleare. Analizzando complessivamente il sistema energetico, ovvero partendo dalla costruzione delle centrali sino alla complessa gestione dei rifiuti, si riscontra un notevole incremento nei costi sociali e una scarsa convenienza economica sociale. Questi i principali handicap:

Tempi di costruzione

La costruzione di una centrale nucleare necessita un lungo periodo di tempo, in media 10-12 anni. Questo lungo periodo di tempo richiede la considerazione dei cosiddetti “costi opportunità”, ossia le perdite “potenziali” pari al tasso di interesse perso se i fondi fossero depositati in banca o occupati in altre attività economiche.

Gestione delle scorie

Le centrali nucleari producono rifiuti radioattivi (scorie) la cui gestione è ancora un capitolo aperto per l’intero occidente. Per esempio gli Stati Uniti, dopo oltre 25 anni di studi, hanno realizzato un deposito in profondità (geologico) in cui stoccare le scorie radioattive di II grado, mentre resta ancora incerto il destino delle scorie di III grado (ad alta radioattività) stoccate temporaneamente all’interno delle centrali nucleari.

Operazioni di bonifica e stoccaggio delle scorie al termine del ciclo produttivo di vita della centrale

Al termine del ciclo di vita della centrale nucleare va considerato anche il costo del suo smantellamento, la bonifica del territorio e lo stoccaggio delle scorie radioattive.

Per esempio, la costruzione della centrale nucleare americana di Maine Yankee negli anni ’60 ha richiesto un investimento pari a 231 milioni di dollari correnti, meno della metà del costo necessario per il suo recente smantellamento, pari a 635 milioni di dollari correnti.

A livello nazionale, lo smantellamento delle quattro centrali nucleari presenti nel nostro territorio è stato stimato con un costo pari a 2 miliardi di dollari dall’International Energy Agency.

Il nucleare è stato presentato come una fonte indispensabile per generare energia elettrica a basso costo. In realtà i suoi costi “nascosti” (sostenuti dallo Stato tramite tasse e imposte) sono ancora troppo alti se paragonati alle normali centrali termoelettriche (gas o carbone). Per individuare un quadro completo dei costi è necessario allargare la visione all’intero ciclo di produzione e non soffermarsi solo sui singoli aspetti. Solo in questo modo si può comprendere il reale costo sociale che la società dovrà pagare per avere l’energia nucleare.

Il ritorno al nucleare può essere giustificabile per ridurre la dipendenza delle economie occidentali dall’import di petrolio, gas e carbone. La capacità di una nazione di far fronte al proprio fabbisogno 10

energetico interno rappresenta un obiettivo politico e strategico per difendere la propria economia nazionale dagli shock esterni. Soltanto in questi casi, e in questi termini, il ritorno al nucleare può essere considerato come una scelta razionale da intraprendere.

1.3. Vantaggi e svantaggi del nucleare

Spesso il nucleare viene presentato come un male da combattere o come miracolosa pozione per risollevare l’economia nazionale. In realtà il nucleare rappresenta un’opzione energetica come le altre con i suoi “pro” ed i suoi “contro”. Di seguito si elencano i principali vantaggi e svantaggi:

Vantaggi

• Una centrale nucleare non emette CO2. Le centrali nucleari non producono anidride carbonica ed ossidi di azoto e di zolfo, principali cause del buco nell’ozono e dell’effetto serra.
• Vantaggio nella bilancia dei pagamenti. La produzione di energia nucleare riduce l’importazione e la dipendenza delle economie dal petrolio. La copertura del fabbisogno energetico interno tramite il nucleare riduce la possibilità degli shock esterni sull’economia e consente ai governi un minore carico di spesa sulla bilancia dei pagamenti con l’estero. Il tutto si tradurrebbe in una maggiore stabilità del sistema economico nazionale.
• Maggiore stabilità politica. Le principali riserve petrolifere sono concentrate in pochi paesi ad elevata instabilità politica (Medio Oriente e Latinoamerica), instabilità che potrebbe trasmettersi anche nei paesi fortemente dipendenti dall’import del petrolio. L’uso del nucleare riduce la dipendenza occidentale dal petrolio mediorientale e latinoamericano.

Svantaggi

• Conseguenze in caso di incidente: La storia ha dimostrato in più occasioni la gravità delle conseguenze degli incidenti alle centrali nucleari. Le radiazioni a cui la popolazione viene esposta causano un maggiore rischio di morte per leucemia e tumore. Dall’incidente di Chernobyl la sicurezza delle centrali nucleari è diventato uno dei principali aspetti critici dell’energia nucleare per uso civile e pertanto, negli ultimi anni, la ricerca tecnologica si è centrata sulla sicurezza delle centrali nucleari dotate di reattori di ultima generazione.
• Le scorie nucleari costituiscono un altro aspetto critico del nucleare dato che non possono essere distrutte e l’unica soluzione, per il momento, sembra essere lo stoccaggio per migliaia di anni in depositi geologici o ingegneristici. La ricerca di un deposito sicuro è tra i principali obiettivi della UE e degli Usa. Tuttavia, sono necessari anni di studi e grandi investimenti per l’individuazione delle soluzioni di stoccaggio per centinaia di migliaia di anni. 11
• Localizzazione delle centrali nucleari e proteste locali: Anche il processo di localizzazione di una centrale nucleare o del deposito di scorie è molto difficoltoso. Nessuna comunità locale accetta di sacrificare il proprio territorio per ospitare i rifiuti nucleari. La Sardegna, la Puglia, la Basilicata sono i recenti casi italiani di forti proteste antinucleari e, perlomeno finora, le popolazioni locali hanno vinto la battaglia.
• Il terrorismo: Viviamo in un’epoca in cui poche persone possono compiere grandi danni all’umanità. Il ricordo della tragedia dell’11 settembre 2001 ai grattacieli del World Trade Center è stato un duro shock per l’intera società occidentale. Il rischio che le centrali nucleari siano prese come obiettivi per atti di terrorismo o come bombe sporche è quindi molto realistico.