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Il metodo made in Italy per produrre Idrogeno

26 Lug

Da molti anni, ormai, sentiamo parlare di un futuro energetico incentrato sull’idrogeno. Molti, parlano di questo possibile combustibile addirittura speculando su un passaggio dall’era del petrolio a quella dell’idrogeno. Come tutti sappiamo, questa soluzione potrebbe essere utilizzata in tantissimi settori. Anche se il più noto, e lasciatemi dire su cui tante leggende sono state create, è quello delle macchine alimentate a idrogeno, questo elemento potrebbe servire per produrre corrente elettrica ed energia nei più svariati settori industriali, consentendo, finalmente, di mettere da parte i fortemente inquinanti idrocarburi ma, soprattutto, l’economia basata su questi oli che non ha fatto altro che creare centri di potere, in primis, e guerre per l’appropriazione e lo sfruttamento dei giacimenti sparsi per il mondo.

Perché, ancora oggi, visto che molti parlano di una panacea di tutti i mali, non utilizziamo l’idrogeno?

Come sapete, molti parlano di poteri forti in grado di bloccare lo sviluppo di queste tecnologie per puri fini economici. Da un lato, queste affermazioni sono corrette. Non voglio nascondermi dietro un dito e dire che viviamo in un mondo ideale. Come tutti sanno, i soldi fanno andare l’acqua in salita ma, soprattutto, decidono dove l’acqua deve passare e dove no. Questo lato economico-oscuro non è però materia del nostro blog. Quello su cui invece vorrei spingere tutti a ragionare è il discorso prettamente energetico e ambientale dell’idrogeno.

Anche molti tra i cosiddetti esperti dell’energia, un po’ per secondi fini ma, mi dispiace dirlo, a volte anche per ignoranza, quando parlano di fonti alternative, dunque non solo idrogeno, dimenticano sempre di prendere in considerazione l’intera filiera del settore che non comprende solo l’utilizzo della risorsa ma anche la sua estrazione o eventuale produzione, stoccaggio, distribuzione, ecc.

Che cosa intendo con questo?

Facciamo un esempio pratico ma inventato. Immaginate di trovare una nuova fonte energetica che possa essere utilizzata per alimentare le automobili. Questa risorsa rende la vostra macchina assolutamente non inquinante e costa 1/10 della benzina. Bene, annunciate la vostra scoperta su internet e immediatamente si formerà un esercito di internauti pronti a parlare della vostra genialata e del fatto che la ricerca, insieme con qualche burocrate in giacca, cravatta e occhiali scuri, vi sta ostacolando. Scommetto che questa storiella ve ne ricorda tante altre sentite in questi anni. Dov’è il problema? Semplice, anche se il nostro carburante costa poco e non inquina, come si produce? Dove si estrae? Se per produrre questo carburante dovete utilizzare carbone, oli o elementi chimici che produrrebbero un effetto sull’atmosfera peggiore di quella dell’uso del petrolio, la vostra invenzione sarebbe ancora molto conveniente? Direi proprio di no.

Bene, questo è quello che vorrei far capire. Ogni qual volta si parla di qualcosa legato all’energia e all’inquinamento, dovete sempre mettere in conto tutti gli aspetti legati a quella determinata risorsa. Esempio pratico? I pannelli solari producono energia dalla fonte rinnovabile per eccellenza, il Sole. Nessuno però vi racconta mai dei costi di produzione dei pannelli o, soprattutto, di quelli di smaltimento dei pannelli ormai esausti. Tenendo conto di questi fattori, si deve ridimensionare molto il vantaggio ottenuto con l’uso di pannelli commerciali. Per carità, non voglio dire che questa soluzione debba essere scartata. Il mio pensiero vuole solo mostrare gli altri aspetti che spesso, soprattutto tra i sostenitori di una tecnologia, vengono completamente taciuti.

Perdonate questa mia lunga introduzione, ma quanto detto è, a mio avviso, importante per inquadrare al meglio la situazione.

Tornando ora al discorso idrogeno, come forse avrete letto, un team di ricercatori del CNR, per essere precisi della sezione di Firenze, ha trovato un nuovo processo di produzione dell’idrogeno che riesce a sfruttare i cosiddetti oli rinnovabili.

Perché è così interessante questa notizia? Alla luce di quanto detto sopra, ad oggi, esistono due modi principali di produzione dell’idrogeno, entrambi con criticità molto importanti. Il primo metodo di produzione consiste nell’estrazione dell’idrogeno dal metano. Per poter avviare il processo è però necessario ossigenare l’ambiente. In questo caso, la produzione di idrogeno è accompagnata da quella di anidride carbonica. Risultato? La produzione di CO2, come è noto, è da evitare per le conseguenze sull’ambiente. Vedete come le considerazioni iniziali ci consentono di fare ora un’analisi critica dell’intero processo?

Il secondo metodo possibile per la produzione dell’idrogeno è semplicemente basato sull’elettrolisi dell’acqua, cioè nella scomposizione di questa fonte nota e ampiamente disponibile in idrogeno e ossigeno. Quale sarebbe ora il rovescio della medaglia? Per fare l’elettrolisi dell’acqua occorre fornire molta energia, energia che deve ovviamente essere messa in conto quando si calcola il rendimento della risorsa. Esempio pratico, se per innescare l’elettrolisi utilizzate energia prodotta da fonti rinnovabili, questo contributo inquinante deve essere contabilizzato e l’idrogeno non è più così pulito. Oltre al problema del costo energetico di produzione, nel caso dell’elettrolisi si deve considerare anche il fattore sicurezza. Idrogeno e ossigeno vengono prodotti ad alte pressioni. Se, per puro caso, i due elementi vengono in contatto tra loro, si crea una miscela fortemente esplosiva.

Alla luce di quanto detto, credo che ora sia più chiaro a tutti il perché, escluso il discorso economico legato al petrolio, ancora oggi la futuribile economia dell’idrogeno ancora stenta a decollare.

Bene, quale sarebbe allora questo metodo made in Italy che i ricercatori del CNR hanno inventato? Come anticipato, questo sistema di produzione sfrutta gli alcoli rinnovabili. Credo che tutti abbiamo bene in mente cosa sia un alcol, perché però parliamo di rinnovabili? Detto molto semplicemente, si tratta degli alcoli, glicerolo, metanolo, ecc., prodotti dalle biomasse, quindi sfruttabili, rinnovabili e anche assolutamente diffuse.

Come funziona questo metodo?

Come noto alla chimica, rompere la molecola d’acqua in presenza di alcoli richiede molta meno energia rispetto a quella necessaria in presenza di sola acqua. Nessuno però, fino ad oggi, aveva pensato di sfruttare questa evidenza per la produzione di idrogeno. La vera innovazione di questo processo è nell’aggiunta di elettrodi nanostrutturati ricoperti di palladio che fungono da catalizzatori per il processo e raccolgono l’idrogeno prodotto nella reazione. A questo punto, immergendo gli elettrodi in una soluzione acquosa di alcoli è possibile rompere la molecola di acqua producendo idrogeno, evitando la formazione di ossigeno libero e, soprattutto, risparmiando il 60% dell’energia rispetto all’elettrolisi.

Come annunciato anche dagli stessi ricercatori, questo sistema potrà servire in un primo momento per la produzione di batterie portatili in grado di fornire energia in luoghi isolati e, a seguito di ulteriori ricerche e perfezionamenti, potrà essere sfruttato anche per la realizzazione di generatori da qualche KWh fino a potenze più alte.

Apro e chiudo parentesi, non per essere polemico ma per mostrare l’ambito nel quale molto spesso le ricerche si svolgono. Il gruppo di ricerca è riuscito a trovare i finanziamenti per i suoi studi perché al progetto hanno partecipato alcuni enti privati finanziatori, tra cui il credito cooperativo di Firenze.

Solo per concludere, e giusto per ricalcare nuovamente il fatto che la ricerca non si è dimenticata dell’idrogeno, anche a livello governativo, nelle direttive per l’obiettivo 2020 è stato imposto un target di 45KWh per la produzione di 1 Kg di idrogeno. Obiettivo considerato futuribile fino ad oggi ma che richiedeva ricerca aggiuntiva sui sistemi di produzione. Bene, il metodo inventato dal CNR richiede soltanto 18.5KWh per produrre 1 Kg di idrogeno. Direi che questo rende sicuramente il processo economicamente vantaggioso e apre finalmente le porte a un utilizzo, che sarà sempre e comunque graduale, di questa risorsa nella vita di tutti i giorni.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Parmitano e l’acqua nel casco

27 Ago

Come forse avrete letto dai giornali, il 16 Luglio scorso ci sono stati alcuni problemi durante la seconda “passeggiata spaziale” per il nostro astronauto Parmitano che si trova sulla Stazione Spaziale Internazionale. La notizia e’ passata un po’ in sordina, complice anche il periodo estivo, e anche sui giornali che ne hanno parlato, il discorso e’ stato un po’ fumoso e poco specifico.

Cosa e’ successo?

Facciamo un breve riassunto. Il 16 Luglio era prevista una seconda EVA, che sta per Attivita’ Extra-Veicolare (quella che normalmente chiamiamo passeggiata spaziale), di 6 ore per fare dei lavori straordinari all’esterno della ISS. I lavori prevedevano la preparazione della stazione per accogliere, entro la fine dell’anno, un nuovo modulo russo che dovrebbe essere connesso alla ISS.

Alla EVA hanno partecipato Parmitano e Chris Cassidy, astronauta americano di grande esperienza con alle spalle ben 7 passeggiate. Qualche decina di minuti dopo l’inizio dei lavori, il nostro astronauta ha avvisato il centro di controllo NASA di Houston, che stava seguendo tutte le manovre da terra, di sentire dell’acqua vicino al collo. Inizialmente, gli esperti NASA hanno pensato ad un’eccessiva sudorazione, causata anche dalla fatica e dallo stress. Dopo qualche altro minuto, Parmitano ha pero’ comunicato che l’acqua continuava ad aumentare e stava diventando un problema.

Ora, tenete conto che siamo in assenza di gravita’, condizione per cui l’acqua e’ si in forma liquida, perche’ all’interno della tuta pressurizzata, ma e’ tenuta insieme solo dalla tensione superficiale. In questa condizione, il liquido si presenta come delle gocce piu’ o meno grandi che fluttuano all’interno del casco dell’astronauta.

La presenza di acqua che continuava ad aumentare, cominciava ad entrare nel naso e negli occhi di Parmitano, rendendo la respirazione difficile e la visibilita’ compromessa. Questa situazione ha fatto scattare l’allarme al centro controllo di Houston che ovviamente ha ordinato subito il rientro all’interno della ISS, dopo circa 90 minuti dall’inizio delle operazioni.

Parmitano ha raccontato questi momenti di paura, ma non ha mai perso la calma e la mente lucida. Come potete immaginare, gli astronauti sono addestrati per poter gestire situazioni anche difficili senza perdere il controllo. In caso contrario, un eccessivo allarmismo potrebbe causare conseguenze molto gravi.

Parmitano aiutato da Cassidy e seguendo il cavo che lo teneva legato alla ISS e’ riuscito a rientrare all’interno in pochi minuti dove c’erano ad accoglierlo gli altri occupanti della ISS che hanno pressurizzato la zona di ingresso e lo hanno aiutato a togliere il casco. Come riportato dal comunicato NASA, l’astronauta stava bene anche se molto stanco, e aveva all’interno del casco circa mezzo litro di acqua.

Ragionando ora, sapendo che tutto e’ andato bene, sembra veramente assurdo rischiare di morire affogati nello spazio. Proprio questo e’ stato infatti il rischio corso da Parmitano. I molti giornali che hanno riportato la notizia, non hanno pero’ risposto ad una domanda, se vogliamo, scontata, da dove proveniva quell’acqua?

Come prima ipotesi, i tecnici NASA hanno pensato che provenisse dal cosiddetto “drink pack”, cioe’ un serbatoio di acqua potabile munito di cannuccia nel casco e che serve per idratare gli astronauti durante le EVA. Questa ipotesi e’ stata pero’ smentita dallo stesso Parmitano che, nelle prime fasi dell’incidente, ha assaggiato un goccia di questo liquido, comunicando che non si trattava di acqua potabile.

Dunque?

Per poter rispondere alla domanda, e’ necessario vedere come e’ fatta una tuta spaziale moderna. Questo e’ uno schema illustrato delle varie parti:

Tuta spaziale usata durante le EVA

Tuta spaziale usata durante le EVA

Ovviamente, la tuta e’ munita di tantissimi strumenti sia scientifici che di diagnostica per controllare lo stato dell’astronauta. In tal senso, troviamo un dosimetro, una telecamera, una valvola di regolazione della temperatura interna, la radio, il controllo dell’ossigeno, un sistema elettrocardiografico per controllare le funzioni cardiache dell’astronauta, ecc. Con un totale di circa 10 strati diversi.

Come vedete, il serbatoio di acqua potabile e’ posizionato vicino al casco. Questa ipotesi e’ pero’ stata smentita da Parmitano durante le prime fasi dell’incidente. Nella tuta e’ presente anche un “pannolone” super assorbente detto MAG. Non c’e’ ovviamente nulla di strano nella presenza di questo accessorio se pensiamo che, come nel caso dell’incidente, la EVA prevista era di ben 6 ore all’esterno della ISS. Ovviamente, e’ da escludere anche che il liquido presente nel casco fosse urina, dal momento che il sistema di drenaggio e’ in grado di assorbire volumi molto maggiori di quelli normalmente espulsi da un astronauta.

Fate pero’ attenzione ad un particolare, nell’immagine della tuta vedete che e’ presente una calzamaglia refrigerante. Questo sistema e’ presente per mantenere una temperatura confortevole all’interno. Come sapete, l’escursione passando da una zona verso il Sole ad una in ombra puo’ normalmente superare i 100 gradi, mentre la temperatura all’interno deve rimanere confortevole per l’astronauta. Poiche’ nello spazio, essenzialmente nel vuoto, lo scambio di calore non puo’ avvenire con convezione, un sistema di tubicini fa scorrere l’acqua intorno al corpo estraendo calore. Il liquido refrigerante viene poi convogliato al Primary Life Support System situato sulla vita, che altro non e’ che uno scambiatore di calore.

La zona del casco da cui Parmitano ha sentito inizialmente il liquido.

La zona del casco da cui Parmitano ha sentito inizialmente il liquido.

Come riportato sia da Parmitano che dalla NASA, il liquido presente nella tuta dell’astronauta proveniva proprio dal sistema refrigerante. Purtroppo, ancora oggi, non e’ nota la posizione esatta della perdita. Ovviamente, la tuta in questione non viene piu’ utilizzata. Nell’immagine di fianco, trovate anche una foto della zona del casco da cui Parmitano ha sentito per la prima volta fluire liquido. L’immagine e’ stata postata su twitter da un altro astronauta presente nella ISS, Douglas H. Wheelock.

Fortunatamente, l’incidente non ha avuto conseguenze per il nostro astronauta. Una situazione di questo tipo non si era mai verificata durante un EVA, per cui sono stati aggiornati anche i rischi possibili durante le passeggiate spaziali. Credo che il modo migliore per concludere questo articolo, sia riportare fedelmente le parole dello stesso Parmitano scritte subito dopo il suo incidente:

Lo Spazio è una frontiera, dura e inospitale, in cui noi siamo ancora degli esploratori e non dei coloni. La bravura dei nostri ingegneri, e la tecnologia che abbiamo a disposizione, fa sembrare semplici cose che non lo sono, e a volte forse lo dimentichiamo.

Meglio non dimenticare.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Il sale prima o dopo?

13 Mag

Qualche tempo fa, avevamo scritto un post un po’ particolare, diverso da quelli a cui siamo abituati:

La fisica del caffe’

eravamo andati a vedere come funziona la moka, o meglio, qual e’ la fisica dietro la preparazione del caffe’. In quell’occasione avevamo visto come tanti pensino cosa sbagliate soprattutto sull’ebollizione dell’acqua all’interno della caldaia.

Sempre in termini di acqua che bolle, in questo post, vorrei invece rispondere al quesito su cui tante persone di sovente hanno una concezione diversa: “mettendo il sale nell’acqua, bolle prima o dopo?”

Questa e’ una domanda che, soprattutto noi italiani amanti della pasta, ci saremo fatti decine di volte. Purtroppo, anche in questo caso, molte persone pensano la cosa sbagliata.

Secondo voi bolle prima o dopo?

Cerchiamo di capire la risposta parlando un po’ di scienza.

Come tutti sanno l’acqua bolle a 100 gradi centigradi. Sicuri? Questa affermazione non e’ completa. L’acqua bolle a 100 gradi centigradi al livello del mare, cioe’ alla pressione di 1 atmosfera. Poiche’ la pressione altro non e’ che il peso della colonna d’aria che ci sovrasta, salendo di quota la pressione diminuisce e dunque l’acqua bollira’ prima. Per darvi qualche numero, la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuisce circa di un grado ogni 300 metri di altitudine. Se, ad esempio, vi trovate in un rifugio di montagna a 2100 metri di altitudine, l’acqua bollira’ a 93 gradi centigradi.

Anche sui 100 gradi nominali, ci sarebbe da controbattere. In realta’, questa e’ la temperatura di ebollizione dell’acqua pura, che non e’ assolutamente quella che utilizziamo per cucinare in cui sono disciolti sempre dei sali.

Cosa dire invece dell’aggiunta di sale?

Sciogliendo un sale nell’acqua, in realta’ un qualsiasi soluto in un solvente, si vanno a modificare quelle che ci chiamano “proprieta’ colligative” del solvente. Tra queste, vi e’ il cosiddetto aumento “ebullioscopico”. Cosa significa? La presenza del solvente nel soluto, aumenta il punto di ebollizione.

Se ci riferiamo al caso dell’acqua, si ha un aumento ebullioscopico di 1 grado, per un litro di solvente, ogni 58 grammi di sale. Ovviamente, la quantita’ di sale che mettiamo nell’acqua e’ nettamente inferiore a 58 grammi, per cui in realta’, si ha un innalzamento del punto di ebollizione, ma parliamo di variazioni minime. Nonostante questo, “aggiungendo il sale prima l’acqua bolle dopo”.

Interessante e’ invece il discorso “coperchio o non coperchio” mentre riscaldiamo l’acqua. In questo caso, anche se molti pensano il contrario, chiudere la pentola puo’ aiutare molto a far salire la temperatura dal momento che riduce la dispersione di calore all’esterno del sistema, con un notevole risparmio energetico. In rete ho trovato i risultati di un esperimento molto carino. Prendendo 4 litri di acqua, si sono misurati i tempi necessari a raggiungere l’ebollizione nelle due situazioni, e misurando anche le temperature intermedie con i relativi tempi:

T °C Minuti con coperchio Minuti senza coperchio
40 6:56 7:05
50 10:36 10:40
60 14:09 14:32
70 17:47 18:40
80 21:43 23:33
90 25:34 29:06
96 28:08 34:13

Come vedete, c’e’ un aumento di circa il 25% per arrivare a 96 gradi non utilizzando il coperchio. Ovviamente, l’esperimento e’ stato fatto a parita’ di condizioni per cui, per fa bollire una comune pentola d’acqua da 4 litri, dovrete tenere il fuoco acceso per 6 minuti in piu’ ogni volta.

Spesso, parlando con le persone, mi viene detto che aggiungendo il sale l’acqua bolle prima perche’ nel momento in cui lo mettete nella pentola si vede un incremento dell’ebollizione. Questo in realta’ e’ vero solo in parte. Fate questo esperimento molto semplice, con l’acqua in ebollizione, buttate il sale e vedrete ribollire piu’ vigorosamente. Questo risultato e’ spesso quello che porta fuori strada le persone.

A cosa e’ dovuto?

Le molecole di sale si comportano come centri di nucleazione all’interno dell’acqua. Detto in parole molto semplici, per potersi formare, le bolle hanno bisogno di un centro intorno al quale generarsi e salire in superficie. Il sale che mettete nell’acqua fa appunto da appiglio per le bolle che non aumentano la loro temperatura, ma trovano terreno fertile per la loro formazione.

Prima di chiudere, vorrei tornare un attimo sulle proprieta’ colligative. Oltre all’innalzamento ebullioscopico, scioglere un soluto in un solvente produce anche l’abbassamento crioscopico, cioe’ diminuisce il punto di fusione del liquido. Vi siete mai chiesti perche’ durante l’inverno si butta il sale sulle strade? Ovviamente tutti sanno che serve per non far formare il ghiaccio. Bene, anche in questo caso si parla di proprieta’ colligative. Aggiungere sale fa abbassare il punto di fusione dell’acqua che dunque non congelera’ piu’ a 0 gradi, ma a temperature piu’ basse. Detto questo, non impedite che si formi il ghiaccio, semplicemente, affinche’ avvenga la transizione di fase, e’ necessario scendere di piu’ con la temperatura.

Come vedete, sia il discorso ebollizione che quello fusione dell’acqua possono essere ricondotti alle stesse proprieta’ chimico-fisiche, dette appunto “proprieta’ colligative”.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.