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Buongiorno Rosetta!

26 Gen

Solo pochi giorni fa, e’ stata data una notizia che, purtroppo, e’ passata un po’ in sordina sui siti di informazione: dopo ben 31 mesi, la sonda Rosetta si e’ risvegliata dal suo periodo di ibernazione ed e’ pronta ad effetturare una missione che non puo’ che richiamare alla mente scenari fantascientifici.

Di cosa si tratta?

La missione della sonda Rosetta e’ estremamente interessante dal punto di vista scientifico. Il suo compito e’ quello di avvicinarsi alla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko e, per la prima volta, far scendere un modulo di atterraggio pensato per esplorare la cometa.

Il nome Rosetta viene proprio dalla stele di Rosetta. Cosi’ come il manufatto, gli studiosi del settore pensano di poter scoprire importanti segreti del nostro universo analizzando da vicino la cometa. Come abbiamo visto in questo articolo:

Cos’e’ una cometa

le comete sono dei veri e propri fossili del nostro universo, dal cui studio e’ possibile raccogliere informazioni fondamentali sull’origine della Via Lattea e dell’universo stesso.

Non a caso, il lander destinato a scendere sulla cometa si chiama Philae e prende spunto dal nome di un’isola dove e’ stato ritrovato un importante manufatto che ha consentito di decifrare la Stele di Rosetta.

Torniamo alla missione. Perche’ la sonda e’ stata ibernata?

Rosetta e’ stata lanciata nel 2004. Il percorso ha previsto ben quattro fionde gravitazionali,  3 intorno alla Terra ed una intorno a Marte, per consentire alla sonda di acquistare suffciente velocita’ per il suo viaggio. Terminata questa prima fase, la sonda e’ stata messa in stato di ibernazione per risparmiare importanti risorse inutili per il viaggio.

In questi giorni, dopo ben 31 mesi, Rosetta e’ stata risvegliata in automatico dal suo computer di bordo. Come potete facilmente immaginare, il risveglio e’ stato un procedimento molto lungo ed estremamente delicato. Per prima cosa, e’ stato un successo ricevere da Terra il primo segnale da Rosetta che indicava il corretto funzionamento della strumentazione.

Ora, la sonda ha ripreso il suo viaggio verso la 67P/Churyumov-Gerasimenko. Per darvi qualche informazione aggiuntiva, si tratta di una cometa periodica del nostro Sistema Solare con un periodo di 6.45 anni terrestri. Una volta raggiunta la cometa, dalla sonda si stacchera’ il modulo Philae destinato a posarsi sulla superficie del piccolo corpo. Parliamo infatti di una dimensione di 2×4 kilometri quadrati.

Ricostruzione 3D del nucleo della cometa

Ricostruzione 3D del nucleo della cometa

Anche se durante la preparazione della missione, e’ stato utilizzato il telescopio Hubble per ricostruire un’immagine 3D della cometa, come potete facilmente immaginare, non e’ possibile pianificare alla perfezione il momento dell’atterraggio. Questa delicatissima operazione sara’ infatti eseguita in diretta per correggere eventuali variazioni di piano e consentire al lander di atterrare.

Una volta in posizione, Philae utilizzera’ i suoi strumenti per fare un’analisi assolutamente esclusiva di un corpo di questo tipo. Il lander e’ dotato anche di un trapano in grado di scavare a profondita’ fino a 20 cm. I frammenti raccolti saranno anche scaldati in piccoli fornetti fino a 1200 gradi per permettere un’analisi chimico-fisica dei materiali.

Come potete facilmente capire, si tratta di un’operazione estremamente complessa ma che potrebbe consentire di raccogliere informazioni importantissime per la comprensione del nostro universo. Una missione di questo tipo, come anticipato all’inizio, non puo’ che richiamare gli scenari di alcuni film di fantascienza degli anni ’90. Sicuramente, l’operazione presenta alcuni punti oscuri ma grandi speranze sono affidate a questa missione pensata e sviluppata dall’ESA con un contributo italiano davvero notevole. L’arrivo intorno alla cometa e’ atteso per la seconda meta’ del 2014. Non resta ancora molto da aspettare. Daremo ulteriori aggiornamenti su questa missione, seguendo passo dopo passo ogni evoluzione di Rosetta.

 

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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Il processo di decaffeinizzazione

8 Ago

Nella sezione:

Hai domande o dubbi?

una nostra cara lettrice ci chiede di parlare del “caffe’ decaffeinato”. Credo che questo argomento sia molto interessante perche’ molto spesso si sentono tantissime leggende su questa soluzione. Tutti noi, almeno una volta, avremo sentito dire: “fa bene”, “fa male”, “e’ cancerogeno”, “e’ buono”, “fa schifo”, ecc. Come al solito, tante opinioni in disaccordo tra loro. Cerchiamo dunque di capire meglio come viene realizzato questo caffe’, cioe’ quali sono le tecniche maggiormente utilizzate per la decaffeinizzazione e, soprattutto, che genere di risultato si ottiene.

Qualche tempo fa, avevamo gia’ parlato della cosiddetta “fisica del caffe'”, parlando del principio di funzionamento della moka, spesso ignorato da molti, anche tra gli addetti ai lavori:

La fisica del caffe’

A questo punto, non resta che parlare invece della materia prima necessaria!

Come sapete bene, la caffeina, il cui nome chimico e’ 1,3,7-trimetilxantina, fu isolata per la prima volta nel 1820 ed e’ contenuta in almeno 60 varieta’ di piante, tra cui, ovviamente, caffe’, the, guarana’, cacao, ecc. La caffeina e’ un potente stimolante ed interagisce sul nostro umore aumentando i livelli di dopamina e bloccando i recettori dell’adenosina. Per inciso, quando i livelli di quest’ultima raggiungono una certa soglia, avvertiamo la sensazione di sonno.

Queste caratteristiche sono purtroppo sia il pro che il contro della caffeina. L’assunzione di questa sostanza puo’ infatti avere effetti dannosi in persone ansiose, con problemi di sonnoloenza, tachicardia, ecc. Come anticipato, l’effetto della caffeina e’ tutt’altro che blando, a livello biologico, questa molecola e’ un vero e proprio veleno, che risulta letale sopra una certa soglia, ovviamente non raggiungibile assumendo tazzine di caffe’.

Ora pero’, molte persone, tra cui il sottoscritto, adorano il caffe’ anche solo per il suo sapore o per la ritualita’ dell’assunzione. Proprio per questo motivo, si sono affinate diverse tecniche per eliminare la caffeina dai chicchi di caffe’, ottenendo una bevanda non stimolante, appunto il caffe’ decaffeinato.

Il decaffeinato fu inventato a Brema nel 1905 dal tedesco Ludwig Roselius, figlio di un assaggiatore di caffè, per conto della azienda “Kaffee Handels Aktien Gesellschaft”. Proprio in onore del nome dell’azienda, questo tipo di caffe’ venne chiamato prendendo le iniziali e dunque commercializzato come Caffe’ HAG. Per ottenere questo risultato, i chicchi di caffe’ venivano cotti a vapore con una salamoia di acqua e benzene. Quest’ultimo era il solvente in grado di estrarre la caffeina dal chicco.

Successivamente, questo metodo venne abbandonato trovando soluzioni alternative da utilizzare prima della tostatura, cioe’ quando il fagiolo e’ ancora verde. La tecnica maggiormente utilizzata fino a pochi anni fa, era quella che prevedeva l’utilizzo di diclorometano per estrarre la caffeina. Successivamente a questo trattamento, il caffe’ veniva lavato a vapore per eliminare il diclorometano, che ha un punto di ebollizione di circa 40 gradi. A questo punto, si passava alla essiccatura e tostatura dei chicchi a 200 gradi.

Questo metodo presentava purtroppo alcuni problemi, che poi sono quelli che spingono ancora oggi le leggende di cui parlavamo all’inizio.

Il diclorometano e’ una sostanza cancerogena per l’essere umano. Come anticipato, successivamente al suo utilizzo, il caffe’ passava per altri due processi con temperature notevolmente superiori al punto di ebollizione del diclorometano. Questo trattamento assicurava la completa evaporazione del potenziale cancerogeno sui chicchi.

Perche’ allora e’ stata abbandonata la tecnica?

Il problema reale di questa tecnica di decaffeinizzazione e’ che durante il trattamento con diclorometano, oltre alla caffeina, venivano estratte altre sostanze chimiche dai chicchi che contribuiscono al sapore della bevanda finale. In tal senso, il decaffeinato ottenuto con questa soluzione, aveva un sapore molto diverso da quello originale. Inoltre, anche altre sostanze benefiche per l’organismo venivano estratte dal caffe’ mentre venivano prodotti oli contenenti molecole da alcuni ritenute dannose per l’uomo.

Detto questo, capite bene dove nascono le leggende da cui siamo partiti, circa il sapore del decaffeinato e la pericolosita’ del suo utilizzo.

Oggi, la tecnica con diclorometano e’ quasi completamente abbandonata a favore dell’utilizzo della CO2 supercritica. Con questo termine si intende solo una stato con pressioni e temperature tali da renderla una via di mezzo tra un gas e un fluido. Nel processo di decaffeinizzazione, i chicchi di caffe’ vengono prima inumiditi con vapore per rigonfiarli ed aumentare la percentuale di acqua. Questo sempre con fagioli verdi, cioe’ prima della tostatura. A questo punto, i chicchi passano in colonne di estrattori insieme alla CO2 ad una tempratura tra 40 e 80 gradi ed una pressione intorno alle 150 atmosfere. Questo passaggio permette all’anidride carbonica di portare via la caffeina, toccando in minima parte le altre sostanze contenute nel caffe’. A seguito di questo passaggio, si procede ovviamente alla tostatura.

Quali sono i vantaggi di questa tecnica rispetto alla precedente?

Prima di tutto, si utilizza solo CO2, cioe’ una sostanza non pericolosa per l’essere umano. Il processo consente di estrarre gran parte della caffeina contenuta nel caffe’. Per legge, un caffe’ decaffeinato non deve avere piu’ del 0,1% di caffeina. Non intaccando, se non in minima parte, le altre sostanze, il sapore del caffe’ rimane quasi invariato, e quindi e’ molto piu’ simile all’analogo con caffeina.

Oltre a questi aspetti, la CO2 in uscita dal processo e’ ovviamente ricca di caffeina. Questa sostanza e’ notevolmente utilizzata in diversi settori tra cui la medicina, la farmacologia, la botanica, ecc. Proprio per questo motivo, in virtu’ del processo utilizzato, e’ possibile estrarre caffeina pura dall’anidride carbonica mediante un abbassamento di temperatura o utilizzando carboni attivi.

Lo stesso processo viene utilizzato anche su altre piante, oltre che per l’estrazione del colosterolo dal burro o dell’essenza dai fiori di luppolo, utilizzata nella produzione della birra.

Concludendo, molte delle leggende intorno al decaffeinato nascono in virtu’ del precedente metodo utilizzato per l’estrazione della caffeina dai chicchi. Oggi, l’utilizzo di CO2 supercritica consente di estrarre la maggior parte della caffeina, che oltre tutto puo’ essere recuperata e utilizzata in altri settori, lasciando quasi del tutto inalterate le altre sostanze che contribuiscono la sapore di questa ottima bevanda.

 

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

I segreti delle ragnatele

21 Lug

In questi giorni per ben due volte ho sentito parlare di ragnatele, sentendo queste opere utilizzate come metafore. Proprio da qui, mi e’ venuta la curiosita’ di scrivere un articolo specifico su questo argomento, noto a tutti nel senso stretto del termine, ma forse non troppo specificatamente dal punto di vista ingegneristico.

Come e’ noto, le ragnatele vengono create per lo scopo principale di procurare cibo. Gli insetti restano infatti intrappolati sulle tele fornendo ottimi spuntini ai ragni. Oltre a questa funzione vitale, solo pochi giorni fa avevamo parlato di un altro fenomeno:

Quando gli angeli perdono i capelli

Come visto, le ragnatele possono essere utilizzate anche per le migrazioni dei ragni, che si lasciano trasportare insieme alle loro tele dal vento, riusciendo a percorrere anche tratti molto lunghi senza fatica.

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Da cosa sono composte le ragnatele?

Biologicamente, la seta viene prodotta da speciali ghiandole dette filiere. Il filo e’ ricco di catene di aminoacidi tra cui glicina, serina e alanina la cui composizione puo’ leggermente variare in base alla specie. All’interno delle filiere, la seta e’ ovviamente in forma liquida e solidifica non appena fuoriesce dal ragno.

Per essere precisi, ci sono due tipologie di seta che vengono utilizzate per preparare una tela. La prima e’ appicicosa e serve per intrappolare gli insetti. Se vogliamo, questa offre solo il materiale di cattura. Ben piu’ interessante e’ la cosiddetta seta dragline, che costituisce invece l’elemento strutturale della ragnatela.

Come viene costruita la ragnatela?

Ovviamente, in base al punto in cui si deve operare, ci saranno procedure leggermente diverse. Come sappiamo bene, ci sono ragnatele angolari, orizzontali, verticali, ecc. In tutte queste strutture, troviamo pero’ fili radiali e fili circolari, con funzioni diverse. I punti piu’ importanti della tela stessa, sono ovviamente quelli di ancoraggio dei fili alla superficie.

Le ragnatele sono da sempre sudiate nel campo dei materiali proprio grazie alle loro stupefacenti caratteristiche di resistenza. Come anticipato, la prima proprieta’ fondamentale e’ da ricercarsi proprio nella dragline. Per darvi un’idea, il carico di rottura di questa seta, cioe’ la pressione da esercitare per spezzare un filo, e’ paragonabile a quella dei migliori acciai sul mercato. Se pensiamo che pero’ questo materiale ‘e molto meno denso dell’acciaio, abbiamo dei carichi di rottura normalizzati alla densita’ che rendono la dragline fino a 5 volte piu’ resistente dell’acciaio. Proprio questa straordinaria proprieta’ ha richiamato molti studi sulle ragnatele appunto per imitare la natura nella ricerca di materiali sempre piu’ resistenti o in grado di resistere a carichi elevati.

Come e’ noto, ingegneristicamente, per costruire una struttura con determinate qualita’ non basta utilizzare materiali specifici, anche la struttura stessa deve essere studiata per lo scopo. Cosa significa questo? Anche la costruzione delle ragnatele avviene con criteri specifici e che rendono queste opere straordinarie.

Come evidenziato da studi e simulazioni nanometriche fatte, una tela di ragno ha la capacita’ di essere perturbata non linearmente con un carico. Questo comportamento e’ opposto a quello che normalmente avviene in natura. Facciamo un esempio per capire meglio. Se abbiamo un problema ad un ginocchio, possiamo ugualmente camminare ma con il rischio che, a causa del precario equilibrio, anche la colonna vertebrale possa subire danni. La ragnatela si comporta invece in modo opposto. Se, per qualche motivo, una parte di tela si rompe o cede, la struttura e’ realizzata in modo da non compromettere la funzionalita’ del complesso. Poiche’ la produzione di seta e’ un processo molto dispendioso per il ragno, questo comportamento consente di poter recuperare la tela senza dover ricominciare da capo.

Inoltre, la seta gode di ottime proprieta’ elastiche. Proprio questa caratteristica fa si che dopo la cattura di un insetto, la struttura entri in vibrazione facendo capire al ragno che la cena e’ pronta.

Come anticipato, le ragnatele sono da sempre studiate dagli esperti non solo per carpire i segreti della materia prima utilizzata ma anche per emulare la struttura per l’ottimizzazione dei punti di ancoraggo di ponti sospesi, sopraelevate, ecc. Come osservato innumerevoli volte, una tela di ragno e’ in grado di resistere addirittura alla violenza di un uragano.

Concludendo, le ragnatele sono assolutamente uno spettacolo di natura. Osservare questi manufatti ci consente di capire molte cose sia dal punto di vista chimico sia per le caratteristiche ingegneristiche delle strutture e delle tele utilizzate. Come visto, le ragnatele presentano doti meccaniche molto migliori di quelle dei materiali attualmente utilizzati nelle costruzioni. Sicuramente, osservare la natura ci puo’ consentire di comprendere al meglio le soluzioni utilizzate da specie animali, ben piu’ antiche dei nostri attuali edifici.

 

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