La propulsione più veloce del suono

Nella classe degli esoreattori vi sono due eminenti soggetti. Stiamo parlando di motori, motori per aerei (diciamo) o che comunque sono in grado di lavorare in aria sfruttando l’ossigeno normalmente presente nell’atmosfera come ossidante per una reazione di combustione.

Prima di presentarvi questi due eminenze ingegneristiche consentitemi una brevissimissima digressione. Il numero di Mach (oltre ad essere un rasoio per uomini) è il rapporto fra la velocità (di volo) e la velocità del suono nelle stesse condizioni atmosferiche (attenzione attenzione: la velocità del suono NON è costante, dipende dalla temperatura e dalle caratteristiche chimiche dell’aria).

E’ quindi chiaro che uno stesso corpo che viaggia alla stessa velocità a due quote diverse (caratteristiche dell’aria e temperatura diverse) ha due numeri di Mach (M) diversi. In particolare in un caso il rapporto potrebbe essere maggiore di uno ed in un caso minore. Ovvero in un caso il corpo viaggerebbe in condizioni supersoniche (M>1) e nell’altro caso subsoniche (M<1). Anzi, a quote molto alte (o a velocità estremamente elevate) M potrebbe essere molto molto alto, condizioni ipersoniche (M>5).

D’accordo. Facciamo ora un ultimo sforzo:

  • un flusso subsonico, in un condotto convergente, aumenta la propria velocità e diminuisce la propria pressione. Il viceversa accade in un condotto divergente;
  • un flusso supersonico, in un condotto convergente, diminuisce la propria velocità e aumenta la propria pressione; Il viceversa in un condotto divergente.

Ciò detto è chiaro che in regime supersonico un condotto divergente seguito da una camera di combustione che riscalda la miscela di ossigeno e carburante seguita da un ugello finale (condotto divergente) è sostanzialmente un modo per accelerare l’aria. E’ praticamente un motore. Ma senza parti rotanti o comunque in movimento (compressori e/o turbine).

Ramjet e Scramjet (le due eminenze di cui sopra) sono proprio questi due oggetti in grado di produrre spinta sfruttando questo principio. La sostanziale differenza tra i due sistemi consiste nel processo di combustione: mente lo Scramjet prevede che non solo il flusso in ingresso ma anche la combustione avvenga in regime supersonico, il Ramjet ha un ingrasso d’aria supersonico rallentato fino ad una combustione subsonica e poi accelerato nuovamente.

RamjetScramjet.png

Il Ramjet prevede una prima zona di compressione (sostanzialmente una presa d’aria) che riduce la velocità del flusso, e quindi aumenta la pressione, fino a raggiungere un Mach di 0.3 – 0.4, valore ottimale per la combustione. Per raggiungere tali valori la presa d’aria sfrutta opportune onde d’urto “normali” che rallentino il flusso. Il tratto successivo è la camera di combustione in cui viene direttamente iniettato combustibile nebulizzato. In questo modo è come se il flusso venisse “energizzato”, fino a raggiungere un regime sonico (M=1) nella sezione di gola posta a valle della camera. Il tratto finale è un canale divergente (l’ugello) in cui si raggiunge di fatto un notevole aumento di velocità (e quindi spinta).

Lo Scramjet, invece, prevede un ciclo molto simile a quello del Ramjet, ma con la fondamentale differenza che la combustione avviene in regime supersonico (cosa assolutamente non semplice soprattutto per problematiche legate al tempo fluidodinamico di reazione). La presa d’aria deve quindi essere in grado di di rallentare solo un po’ il flusso in ingresso alla camera di combustione. Ciò è possibile con delle onde d’urto “oblique”, decisamente meno dissipative di quelli “normali”. Inoltre l’architettura dello Scramjet non prevede particolari “strettoie” e gole tipiche del Ramjet: in questo caso, infatti, la camera di combustione deve essere un condotto già divergente per favorire l’aumento di velocità prima ancora di entrare nell’ugello di espansione.

Ovviamente il diavolo si nasconde nei dettagli: le temperature raggiunte in questi sistemi raggiungo facilmente i 2500 gradi (a causa della così detta temperatura di ristagno), una sfida ingegneristica molto ambiziosa per i materiali oggi disponibili. Le fore aerodinamiche (che variano con il quadrato della velocità) inducono importanti sollecitazioni sul veicolo. Necessità di compensare importanti fenomeni di instabilità legati al non perfetto parallelismo del flusso in ingresso. Tanto per citane alcuni…

Ah, qualora non fosse chiaro, è ovvio che ne Ramjet ne Scramjet sono in grado di garantire il decollo del veicolo per cui vanno affiancati a sistemi più tradizionali.

Insomma, facile non di certo, ma se vogliamo fare il prossimo passo (prima di parlare di sistemi ancora più esotici di propulsione… per questo più affascinanti) dobbiamo darci una mossa (più veloci del suono!) in questa direzione.

WU

PS. Per quanto riguarda il livello di sviluppo: per lo Scramjet per il momento stiamo parlando di (tanti) studi e qualche prototipo in giro per il mondo, ad esempio il programma Hyper-X della NASA (X-43). Mentre il Ramjet è una realtà, almeno per applicazioni balistiche che vengono sganciate direttamente da aerei in volo già in regime supersonico.

PPSS. Divulgativo e qualitativo, come di consueto. Tanto per un’infarinatura, per rinfrescarci la memoria o per motivare ulteriori approfondimenti a riguardo.

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L’incendio nel pozzo

Darvaza, Turkmenistan. Un posto che non avete mai sentito, giustamente. Pieno deserto, un posto nel bel mezzo del nulla. Nel posto c’è un pozzo, ed fin qui nulla di troppo particolare. Nel pozzo c’è un incendio, beh, magari non comunissimo, ma anche fino a questo punto più o meno nulla di eclatante. Beh, l’incendio va avanti da quattro decenni, anzi, quasi cinque. Ora si che la cosa richiama la mia attenzione.

Siamo nel 1971, a Darvaza, appunto. Un gruppo di geologi russi decise di perforare la zona in cerca di petrolio. I rischi legati all’abbondanza di gas naturale furono allegramente trascurati. La perforazione causò un cedimento nel terreno sabbioso liberando una grossa sacca di gas naturale di circa 60 metri di diametro e 30 di profondità. Il cedimento del terreno si portò dietro tutta l’attrezzatura, nessun uomo (pura fortuna). I gas tossici ovviamente iniziarono a sprigionarsi appena ebbero la via spianata rendendo il proseguo delle operazioni fra il difficile e l’impossibile.

E qui la grande idea: diamo fuoco a questi gas che ce li togliamo davanti. Nella speranza che l’incendio si sarebbe estinto in breve tempo. Supposizione (calcoli?) quanto mai errati. L’incendio è ancora in corso tanto che il pozzo è oggi diventato “la porta dell’inferno“, attrazione turistica. Per i per i più impavidi, ovvio.

Darvaza.png

Ad oggi il cratere ha un diametro di circa 70 metri ed è profondo 20. E l’incendio che arde al suo interno lo rende visibile da diversi km di distanza (oltre che distinguibile per il suo odore di zolfo/metano/bruciato). Non è chiaro quanto gas sia stato bruciato finora nella porta dell’inferno ne quanto ne può ancora bruciare. Nonostante tutto le autorità del Terkmennistan hanno deciso di procedere con lo sfruttamento della riserva di gas (come se la lezione di lasciare in pace la natura, almeno in quel luogo, non fosse servita a nulla). E’ stato infatti ordinato di chiudere (ma davvero si può fare?)il cratere o comunque di adottare misure che possano limitare la perdita di gas in maniera da favorire lo sviluppo (e lo sfruttamento) degli altri giacimenti di gas naturale nell’area.

Un incidente che è diventato una fortuna per la zona. Ho qualche dubbio che anche madre natura abbia la stessa interpretazione.

WU

PS. Ah, Darvaza (che è poi il nome del paese più prossimo alla voragine) è una parola di origine turkmena, con radici persiane che significa niente meno che… porta. Quando si dice che il destino è nel nome…

PPSS. Mi ricorda, quest’altro delirio umano ed incandescente.

Zampette ad origami per razzi spaziali

Tutte quelle attività che sono un po’ un misto fra scienza ed arte esercitano su di me un discreto fascino. Si, tipo usare l’arte degli origami per migliorare le nostre capacità di rientro dallo spazio.

Sembra un po’ una barzelletta (e dal punto di vista di maturità della tecnologia un po’ lo è effettivamente), ma l’idea di provare ad usare una specie di “zampette retrattili” piegate ad origami per costruire sistemi di atterraggio dei razzi riutilizzabili e ridurre gli effetti dell’impatto con il suolo è decisamente saporita. Per me, ovvio 🙂 .

Come sapete tutti gli ultimi lanciatori sono progettati per essere riutilizzabili (Falcon 9, New Shepard, etc.) la cosa migliora sostanzialmente il costo delle missioni (certo, pone sfide tecnologiche non da poco, è inefficiente dal punto di vista della gestione del propellente, ma dinanzi a Dio Denaro…). Lanciatori spaziali di questo tipo non “muoiono” con un singolo lancio, ma la loro vita utile continua grazie al rientro a terra controllato. Tale rientro è reso possibile da motori frenanti e da quattro strutture retrattili. Questi ultimi sono praticamente quattro gambe robotiche che si aprono a pochi metri dalla superficie terreste e consentono allo stadio del lanciatore di atterrare dolcemente in piedi (… quando tutto va bene, ovvio).

Il rientro è una fase molto delicata (ed anche molto suggestiva c’è da dire) di tutta la missione. Minimi errori significano la perdita del razzo (certo, il suo carico utile è stato ormai rilasciato, ma la voglia di riusarlo è tantissima…). Ricerche sui sistemi di “landing” abbondano e tra queste spicca quella dell’università di Washington che sta proponendo un sistema in grado di assorbire gran parte della forte compressione dovuta all’atterraggio di questi bestioni. Come fare ad attutire il colpo? Beh, usando gli origami, ovviamente (è esattamente il genere di “pensiero trasversale” che mi affascina).

Un “metamateriale” piegato a forma di origami consente di star chiuso durante le fasi di ascesa, essere dispiegato per l’atterraggio e comprimersi per assorbire l’impatto con il suolo. E che vogliamo di più? Ah, forse il fatto che sono assolutamente modulari e che basta replicare a piacere una sezione per avere zampe più o meno lunghe, robuste ed assorbenti. Sono celle unitarie che, a seconda di come sono progettate, sono in grado di dar vita a zampe modulari ed, almeno in teoria, a basso costo.

Per il momento siamo all’idea (che è poco per vedere impiegata la tecnologia sul prossimo lanciatore, ma è lo sforzo visionario più grande). I prototipi creati sono fatti effettivamente di carta: dopo aver disegnato e costruito uno stampo di carta, i ricercatori hanno tratteggiato le piegature necessarie (il trucco è tutto li…) e poi hanno creato una unità seguendo queste piegature.

OrigamiAtterraggio.png

La forma di queste strutture è tendenzialmente cilindrica in cui la cella unitaria si ripete formando una catena (venti celle, per il momento). Le strutture così create sono state quindi provate al fine di valutare la loro capacità di attutire e smorzare i colpi ricevuti.

Il risultato? La forza esercitata ad un capo della catena ha prodotto una compressione che è stata assorbita dalle varie celle e che non ha mai raggiunto l’altro capo della catena. Cioè la parte dell’arto meccanico che sul razzo tocca la superficie terrestre non ha esercitato alcuna pressione sulla struttura del razzo (idealmente). Pare che la compressione ed il successivo recupero della forma originaria delle celle crei una forza diretta verso il suolo che si propaga lungo la catena facendo in modo che le ultime celle non sentano forze di compressione.

A parte l’utilizzo per cui è stato pensato (e che non vedo prossimo alla realizzazione…) il problema di attutire un urto è decisamente comune; strutture ripiegate pare offrano un’egregia soluzione. Ve lo immaginate un telaio di bicicletta fatto ad origami? Oppure il cruscotto della macchina? O ancora un guardrail? Bell’esempio di trasferimento tecnologico (si, anche se la tecnologia non esiste quanto tale per il momento mi diletto a trasferire l’idea)

WU

PS. D’altra parte basta copiare (tipo dai coleotteri), no?

La lampada a gravità

Questa mi pare un’idea semplice, e quindi geniale (e voglio anche dire, non per fare il presuntuoso anche perché parlerei senza poter esibire un pezzo di ferro che corrobori l’asserto, che è un’idea che mi è balenata più di una volta in mente).

Una bella lampada (ma sostanzialmente una fonte di elettricità) che funziona con una forma di energia che tutti noi, indipendentemente da ceto, religione, nazionalità, possibilità, e quello che vi pare, abbiamo a disposizione: la forza di gravità.

Anche se iniziamo solo a capire la sua origine (tipo qui), riassumerei brevemente che per il solo fatto di nascere, la Terra ci regala la forza di gravità. Sfruttarla poi sta a noi. In parte lo facciamo di già (cascate, piani inclinati, ma anche l’attrito che fa camminare le nostre auto sono in fondo riconducibili alla gravità), ma possiamo evidentemente fare di meglio.

Due designer londinesi si sono inventati un oggetto decisamente utile, evidentemente rivolto a chi non ha accesso alla corrente elettrica (ma che non disdegnerei anche per una vita più green o per utilizzi occasionali). Si tratta di una lampada che funziona … a gravità.

Gravitylight è praticamente un casso (riempito di quello che vi pare) attaccato ad un nastro che scorrendo alimenta una lampada led. Una frizione ed un po’ di ingranaggi consentono, con uno scorrimento di soli 3 secondi, una alimentazione di 30 minuti!

Premi e riconoscimenti non sono mancati, ma al momento (e questo, come ormai saprete, è una delle mie più grandi paure in questi casi…) la lampada rimane solo un prototipo… probabilmente in attesa di un grande finanziatore che vorrà vedere documenti e documenti (Spesso inutili), business plan (spesso inventati), rischi, opportunità e bla bla bla che se da un lato servono a parare le spalle (a chi evidentemente ce le ha già larghe) dall’altro frenano (sperando che non fermino) idee che già sul nascere “gattonano” per loro stessa natura. L’alternativa, già messa in atto è una bella (e speranzosa) operazione di crowdfunding con l’obiettivo di produrne almeno 1000 da mandare in giro per villaggi africani.

Con almeno 400.000 dollari, una singola Gravitylight potrebbe essere venduta a meno di 4 euro! Il target che l’operazione di finanziamento si era data era di 55.000 dollari, ad oggi siamo al 726%!

WU

PS. Ad oggi la versione “elegante” della lampada sta a circa 75$ su Amazon… non proprio ad un prezzo accessibile a tutti…

“Save the planet” non è un paravento!

Dilbert200319.png

Predire e prevedere tendono spesso a confondersi, soprattutto se si tratta dell’interpretazione di qualche luminare circa il futuro del suo campo.

La produzione di energia è uno di questi campi in cui il “sogno” dell’umanità di avere energia-gratis-tutto-e-subito si scontra spesso con atroci realtà fisiche o, ancor peggio, limiti tecnologici (che sono tali solo finché non proviamo almeno a superarli).

Promesse di reattori a fusione o (…attenzione attenzione) fusione fredda hanno proliferato negli anni e dubito che siamo giunti alla fine. Nulla di vagamente funzionante a riguardo si è ancora visto (non me ne vogliano i sostenitori del E-cat o simili, ma per me ci sono diverse cose che puzzano di bufala…), ma in fondo (proprio come l’Edison citato nella Dilbertiana vignetta) il solo fatto di continuare a provarci ha portato e sta portando avanti lo sviluppo di tecnologie che in un modo o nell’altro ci stanno aiutando nell’impresa di soddisfare il nostro sconfinato bisogno di energia.

Ora (in un periodo che gli aspetti ecologici sono evidentemente di moda e spero che non sia l’ennesimo fuoco di paglia), produrre energia spesso significa farlo a scapito dell’ambiente, ma ritengo fondamentalmente errato sventolare la bandiera di “fa bene all’ambiente” o “fa male all’ambiente” come giustificativo sempiterno pro o contro il progresso.

In altre parole, il problema ecologico e quello energetico esistono e sono semplicemente disconnessi. Ogni soluzione a vantaggio dell’uno o dell’altro settore può avere (ok, ok, le ha sempre) ripercussioni indirette e trasversali sull’altro che vanno valutate e considerate nel caso di prendere decisioni per il nostro futuro (… sono proprio ansioso di vedere queste decisioni e qualcuno che si rimbocchi le maniche più che sciolga la lingua). La cosa non equivale a dire che a causa (o considerando) gli aspetti ecologici allora alcune strade di produzione di energia non vanno perseguite. Parafrasando: le lampadine ad incandescenza non saranno certo salutari per l’ambiente, ma non per questo l’invenzione degli stessi da parte di Edison non è stato un giustissimo passaggio nel nostro progresso tecnologico. In fondo la prima rivoluzione industriale usava carbone a tonnellate e non per questo ora continuiamo ad avere lo stesso tipo di fabbriche ancora in giro per le città.

Non nascondiamoci o sbandieriamo un “save the planet” a caso solo per avere una scusa in più per fare o non fare qualcosa. Cerchiamo, per quanto lo trovi personalmente molto difficile, di procedere in maniera obiettiva nella salvaguardia del pianeta e nella valutazione delle cause del suo attuale stato. Evitiamo “irrational responses” sul genere “questo no perché is bad for the environment”. Valutiamo una data tecnologia e valutiamo le possibili alternative (che tanto non saranno mai ad impatto zero) prima di vestirci dei colori del pianeta che celano interessi diversi (economici lo devo proprio scrivere?).

L’evoluzione ed il progresso richiedono inevitabilmente un consumo di energia. Produrla è un passaggio cruciale per la nostra evoluzione (che siamo coscienti o meno di questo poco incide). Difficilmente la cosa sarà ad impatto zero per l’ambiente, ma non illudiamoci di poter tornare all’età della pietra per salvaguardarlo (voglio vedere quanti di noi/voi accetterebbero un razionamento dell’energia elettrica, ad esempio, ad un tot di ore al giorno con giustificazioni di salvaguardia del pianeta)! Una posizione più moderata (ed operativa!) di salvaguardia ambientale con meno slogan e più compromessi potrebbe portarci ad avere mari un po’ più puliti ed energia un po’ più eco-friendly .

Personalissime condizioni circa il penoso stato del nostro pianeta ed ancor più di strane convinzioni che mi capita di sentire.

WU

La costante

C’è una legge, una proprietà a cui niente e nessuno di noi è capace di sfuggire.

Esiste una certa quantità che non cambia mai qualunque siano i molteplici passaggi che la natura si inventa. E’ un qualcosa che non cambia, qualunque cosa accada. Diciamo pure che è un numero. In qualunque modo lo si calcoli prima, dopo e durante i capricci della natura il risultato è lo stesso. Possono cambiare i fattori, le formule, i contributi; possiamo modificarlo, mutarlo, ma alla fine il risultato sarà ineluttabilmente lo stesso. Come dire il numero ed il tipo di mosse sceglietelo pure a piacere, ma un pezzo nero degli scacchi nascerà e morirà sul nero (o sul bianco).

La formula per calcolare il numero aumenterà di complessità ed incorporerà sempre più termini man mano che si considera un ambiente più esteso. Man mano che si prenderanno in considerazione tutte le evoluzioni di questa quantità si arriverà a dover andare a vedere se un po’ di essa si è nascosta nell’armadio del vicino o nel laghetto a 1000 km. Ma se consideriamo tutto, ma proprio tutto, quella quantità rimarrà immutata.

Sempre. Rifate il conto fra migliaia di anni e fatemi sapere.

La cosa concettualmente più difficile da accettare è che non stiamo parlando di pasta, acqua o monete. Stiamo parlando di un concetto astratto che le nostre limitate menti non riescono a visualizzare. Stiamo parlando del niente che governa le nostre vite e ci permette di essere qui.

Innanzi tutto dobbiamo stare attenti a considerare uno stesso sistema. Sempre lo stesso. La nostra quantità invisibile può abbandonare il sistema, un’altra parte potrebbe introdurvisi. Dobbiamo stare attenti a considerare i contributi esterni… altri,enti ci troviamo con il nostro scacco che si muovo sul tabellone del Monopoli… e gridiamo al miracolo.

Dobbiamo poi fare attenzione a scovarla. La nostra quantità, abbiamo detto, può assumere molteplici forme diverse e sta a noi riconoscere dove si è nascosta e fare del nostro meglio per considerala… se vogliamo effettivamente avere conferma che il nostro numero non è variato.

Stiamo parlando dell’energia. Sappiamo che si conserva, non sappiamo cosa sia. Abbiamo formule per calcolarla nelle sue diverse forme, abbiamo contezza di dove può nascondersi, non abbiamo idea della sua origine.

WU

PS. Un approccio volutamente “alla Feymann” (… magari) alla questione. e proprio in virtù di tale ambizione lasciatemi chiudere con una sua chiosa che mi ricorda che non voglio insegnare nulla a nessuno, ma semplicemente imparare.

Non vedevo a cosa servisse un sistema di autoriproduzione nel quale si superano esami per insegnare ad altri a superare esami, senza che nessuno impari mai niente. [R. Feymann]

Se volete una trattazione seria ed accademica sulla legge di conservazione dell’energia ne trovate a tonnellate in giro; anzi, scommetto che vi hanno già martellato con questo concetto… in forme decisamente meno accattivanti.

Elysia chlorotica – solar powered

E’ tutto un frega frega. E non mi riferisco, in questo momento, alla nostra società, bensì all’impostazione che ha dato madre natura agli essere viventi. Si potrebbe parlare del ciclo della vita, del ruolo di alcuni organismi oppure delle abitudini cleptomani di alcuni animali, ma concentriamoci un momento su questa notizia.

Ebbene, “abbiamo appena scoperto” (FISH Labeling Reveals a Horizontally Transferred Algal (Vaucheria litorea) Nuclear Gene on a Sea Slug (Elysia chlorotica) Chromosome) che esiste la Elysia chlorotica, una piccola, a tratti anche adorabile, lumachina di mare. che ha, ovviamente, un comportamento molto particolare. Il vermicello in questione, infatti, è capace di rubare alle alghe non solo nutrimento, ma i mezzi per produrselo (altro che “sostenibile”…)!

Ovvero, la Elysia è capace di sottrarre alle alghe su cui vive i materiali necessari alla fotosintesi, diventando così di fatto indipendente dall’alga stessa. La lumaca sottrae pian piano alle alghe milioni di “plastidi” che sono una sorta di pannelli solari in miniatura che le alghe (e non solo) usano per produrre energia dalla luce. Praticamente l’alga si attrezza con le competenze per farsi la fotosintesi in casa, anche se madre natura ha dato in origine disposizioni diverse sulla sua nutrizione.

Elysia chlorotica.png

Così facendo la Elysia chlorotica, golosona dell’alga Vaucheria litorea, è in grado di non cibarsi per anni dopo una serie di spuntini a base di plastidi. Dopo il furto di plastidi, infatti, l’alga li immagazzina nel suo intestino (ed infatti la sua stessa colorazione passa dal bruno scuro al verdastro… come natura vuole) e pian piano li usa per prodursi l’energia di cui necessita in autonomia direttamente dalla luce del sole. In origine si pensava che i plastidi fossero ingeriti come scorta di cibo per i periodi di magra, ma la scoperta ha verificato che tali organelli, dopo il furto, sono attivamente protetti dalla digestione attiva del resto del materiale ingerito ed inoltre la lumaca attiva nel suo DNA dei geni particolari preposti a sfruttare i plastidi per ottenere energia tramite la fotosintesi.

Simbiosi? Mimetismo? Ibrido animale-vegetale? Sfruttamento? Chiamatelo come vi pare e contestualizzatelo di conseguenza; personalmente mi pare che funzioni e che sia una soluzione energetica geniale.

Ovviamente le ricadute che ci vengono in mente sono molteplici, prima fra tutte: se capiamo bene come fa la lumaca a rubare e trattenere i plastidi potremmo riproporre un approccio simile in laboratorio per crearci la nostra “fotosintesi artificiale” ed avere (finalmente?) la fonte di energia green ed infinita che sta per ora resistendo a tutti gli attacchi “umani”, ma che ha evidentemente dovuto cedere davanti l’ingegno (… ed i millenni di laboratorio evolutivo…) di madre natura.

WU

Il vuoto che ho dentro

Mi capito spesso di sentirmi vuoto, un po’ inutile. Mi capita di guardare le mie giornate scorrere senza davvero capirne il senso o con la netta impressione che non stanno lasciando traccia. Mi capita di vivere per riflesso o addirittura di non cogliere la bellezza di questa vita.

Sicuramente è a causa di una mia scarsa profondità morale, ma forse anche a causa di tutto il vuoto che ho dentro. Incolmabile.

Nel senso che io, e fatemelo dire, anche voi siamo fatti per la maggior parte di nulla, di vuoto, di spazio senza materia. Siamo degli ingombranti volumi fatti di pochissima massa e di moltissimo nulla.

Ora, a parte le irrinunciabili divagazioni metafisiche che questa costatazione mi porta a fare, il punto è che siamo fatti di materia. La materia è fatta di molecole e queste di atomi e gli atomi (ahimè) sono fatti sostanzialmente di… vuoto.

Atomo1.png

Allora, senza fare la solita sbrodolata, gli atomi sono i costituenti della materia a loro volta costituiti da particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) che si sono organizzati in un sistema relativamente semplice (scopiazzando dal nostro sistema solare anche se il paragone non mi piace particolarmente a causa della sostanziale differenza delle forze in gioco). C’è un nucleo centrale formato in genere da neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. Questi sono disposti in una specie di nuvoletta (gli orbitali) nei quali c’è un’altissima probabilità (e qui entra in gioco la statistica nella meccanica quantistica) di trovarli. La maggior parte della massa dell’atomo è nel nucleo (il nucleo è qualcosa come 1800 volte più pesante degli elettroni), mentre gli orbitali… fanno volume.

Quindi, un atomo è una struttura molto piccola, con quasi tutta la massa nel nucleo ed una piccolissima parte statisticamente a distanze moooolto grandi, in proporzione alle dimensioni del nucleo. Ed ecco fatto il nostro vuoto.

Atomo2.png

Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
[Il Tao della Fisica, F. Capra]

Buttiamo due numeri: il raggio medio di un atomo è qualcosa come 10^-11 metri, mentre il raggio medio del nucleo è circa 10^-15 metri; il risultato (considerando che nella formula del volue della sfera ci sono i cubi di questi raggi) ci porta a dire che l’atomo è vuoto (distanza media fra nucleo ed elettroni) al 99.999999999999%!!

Così, a spanne: un uomo medio peserà 70 kg, che considerando una densità unitaria (acqua) corrisponde a 0.07 m3, ovvero circa 70 litri. Saremo qualcosa come 7.000.000.000 di esseri umani su questa faccia di Terra e ciascuno ha una massa che sarebbe condensabile nel 0.000000000001 del suo volume. Risultato: circa mezzo litro.

Ed ora fantastichiamo un po’. Diciamo che riusciamo a togliere (e come?) tutto lo spazio vuoto dali atomi, e quindi rimanere solo con il minimo volume necessario a contenere la nostra massa (si, la nostra densità, che è circa quella dell’acqua, aumenterebbe a dismisura); il risultato sarebbe che tutta l’umanità sarebbe contenuta in una pallina da tennis, o in una zolletta di zucchero o comunque sarebbe qualcosa di meno di un litro di volume.

Affascinante.

Siamo quindi fatti sostanzialmente di nulla. Allora la domanda sorge spontanea: come è possibile che quando due corpi si incontrano riescono a non compenetrarsi (il nostro sedere non passa attraverso la sedia) se sono fatti entrambi di vuoto? Ed è nuovamente la meccanica quantistica a spiegarci l’arcano.

Due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico, quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi (l’esempio di due calamite è qui molto calzante): principio di esclusione di Pauli.
Quindi le molecole che compongono un corpo non possono arbitrariamente essere spinte le une verso le altre, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola.

Quando ci sediamo su una sedia in realtà… non la tocchiamo ma lievitiamo a qualche nanometro di distanza su di essa, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono la sedia: le forze elettriche ci rendono effettivamente solidi.

Affascinante, nuovamente.

WU

PS. Ovviamente la percentuale di vuoto e tutti i fanta-calcoli che ne derivano sono valori medi essendo gli atomi tutti diversi ed essendo noi (ma in fondo tutta la materia) costituiti da una miriade di elementi.

Altrettanto ovviamente sentendo i ragionamenti di certe persone viene il fondato dubbio che la percentuale di vuoto sia molto molto maggiore del mio male di vivere.

PPSS. Chiedo scusa ai puristi della meccanica quantistica, in quanto il concetto di volume e raggio dell’atomo, a livello microscopico appaiono assolutamente fuori luogo, trattandosi di orbitali quantistici in cui gli elettroni hanno una data probabilità di trovarsi: quello che chiamiamo vuoto non è affatto vuoto, solo non c’è materia…

Green o non-green è questo il problema

Alla fine dire sostenibile eco-friendly, pulito, green e simili è bello e fa scena, ma prima di attaccare un’etichetta del genere ad un qualcosa forse sarebbe bene il caso di vedere l’impatto ambientale di quel bene nel suo complesso; ovvero dalla nascita alla morte; da quando andiamo a rompere le scatole a madre natura a quando è il momento di tirare i remi in barca.

Prince, in questo senso, è l’esempio dei “green” pannelli solari che producono si energia pulita, ma che hanno un ciclo di vita, in termini di produzione e dismissione del silicio, estremamente inquinante e per molti punti di vista non proprio chiaro.

Vediamo un attimo come ciò applica alla “moda” del momento: le auto elettriche.

Intanto: dipende. Le auto elettriche sono più o meno ecologiche in base al paese in cui vi trovate. E già questo non mi pare stranissimo: le auto elettriche sono green in base a quanto è green l’energia prodotta in quel paese. Ovviamente se usiamo ancora il carbone (e non è un esempio a caso, vedi recenti decreti Trumpiani)…

GreenCar.png

Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles affronta la questione da un punto di vista abbastanza obiettivo; i risultati sono spesso sconcertanti. E’ stata calcolata l’equivalente della CO2 emessa nell’intero ciclo di funzionamento dei veicoli; ovvero dalla fabbricazione, la produzione dell’energia con cui vengono operati e la loro dismissione.

This publication looked at the environmental impacts of conventional and electric vehicles over the entire lifecycle, including the manufacturing, operation, and end of life impacts. A transparent life cycle inventory of conventional and electric vehicles was developed and used to compare the environmental performance over a range of impact categories. Findings showed that electric vehicles powered by the present European electricity mix offer a 10% to 24% decrease in global warming potential (GWP) relative to conventional diesel or gasoline vehicles assuming lifetimes of 150,000 km.

Se avete un’auto elettrica in Paraguay, Islanda, Svezia, Brasile e Francia allora siete veramente eco-sostenibili; con un emissione equivalente di CO2 di 70-93 g/km le auto elettriche sono effettivamente poco inquinanti. Ciò è una conseguenza diretta soprattutto del modo con cui si produce l’energia in questi paesi: idroelettrica, geotermica o nucleare.

Se invece siete felici proprietari di un’auto elettrica in Canada, Spagna, Canada, Russia siete un po’ al limite; con un emissione di CO2 equivalente di 115-155 g/km siete ancora green, ma non così tanto come credete.

Ci avviciniamo poi al mite della “zona rossa” in cui l’auto elettrica serve solo a pulirsi la bocca, ma non a pulire il mondo; Italia (pensavo anche peggio ad essere sincero), Germania, Gran Bretagna e Stati Uniti hanno un intervallo di 170-202 g/km di emissioni di CO2 equivalenti, abbastanza altino…

Ma il peggio lo troviamo in paesi tipo Messico, Turchia, Cina, Indonesia, Australia, Sudafrica ed India, dove con una CO2 equivalente di 203-370 (!!) g/km l’auto green è solo un ricordo. Questi valori sono nettamente maggiori di una vecchia auto a diesel!

Ora il punto è che vedere le cose nel loro complesso non è consolante, ma dal punto di vista delle emissioni di funzionamento (che, tra l’altro, spostano anche le emissioni inquinanti lontano dai centri cittadini), quindi in un certo senso dal punto di vista delle case automobilistiche, i progressi sono stati fatti e si vedono. La palla ora passa ai sistemi di produzione dell’energia che solo nel caso siano fortemente basati su fonti rinnovabili rendono tutta la catena di beni che da essi dipendono (e non sono pochi) effettivamente eco-friendly.

Non gongoliamoci però; dati i costi attuali di un’auto elettrica è ovvio che un mezzo “vecchio stile” abbia più seguito e quindi in proporzione ne circolino di più che in qualche modo vanificano gli sforzi fatti da un elettrico-automobilista.

Ah, ultimo ma non ultimo: ma questi confronti con cosa li facciamo? Siamo davvero sicuri dei valori di emissione (dato volutamente non specificato in dettaglio in questo finto-post) di un auto diesel dopo i recenti “dieselgate”?

L’obiettività è merce rara e se ne trova sempre meno in circolazione.

WU

PS. In questa giornata dal sapore monotematico confesso che non è stato facile estraniarsi dai temi politici.

Brucia, brucia, brucia

Giacimento di Jharia, in un distretto impronunciabile, India. 260 km2 di carbone che stiamo estraendo dal 1800. Praticamente un’immensa distesa di carbone. E cosa fa il carbone? Beh, brucia.

Il giacimento in questione è infatti lo scenario del più duraturo incendio della storia. Il primo incendio di cui si ha notizia (se ce ne fossero stati altri prima o se quello in questione fosse iniziato anni prima non è dato saperlo) data 1916.

Da allora il focolaio non si è mai spento, anzi, negli anni ’80 si sono documentati più di 70 focolai in tutta la distesa e nessuno poteva essere contenuto ne tanto meno spento. Ed allora l’idea geniale: lasciamolo bruciare, prima o poi si esauriranno da soli. Se non fosse che in presenza di tutto quel carbone questo “prima o poi” è più vicino al poi…

Altra ideona (effettivamente un po’ migliore): vediamo se riusciamo a soffocarli. Togliendo infatti la disponibilità di aria, anche in presenza di carbone, gli incendi sono destinati ad estinguersi. Ma per far ciò l’unica cosa che NON bisogna fare è trasformare la miniera in una miniera a cielo aperto… Ovviamente l’unica cosa che è stata fatta, nel 1973, ad opera della Bharat Coking Coal Ltd, è stata quella di aprire larga parte della miniera per facilitare ed economizzare l’estrazione del carbone. Con grande gioia dei condannati incendi.

Anzi, le cose sono andate ancora meglio (per gli incendi, ovviamente). Dato che la miniera era già un labirinto di gallerie scavate per l’estrazione che consentivano la circolazione dell’aria, una volta aperta anche la superficie si sono create delle belle correnti di aria che hanno dato nuova vita ai focolai creando un mega incendio. Praticamente da braci di carbone siamo arrivati a fiamme fino a 20 metri! Ottimo…

La mente va subito alle due più importanti ricadute di tutta questa mal gestione delle risorse naturali: quella economica e quella ambientale. E siam messi ovviamente malissimo su entrambi gli aspetti.

37 milioni di tonnellate di carbone, miliardi di dollari di valore, andate perse a causa di questi incendi incontrollati ed ormai incontrollabili. Ulteriori 1,4 miliardi di tonnellate di carbone ormai inaccessibili a causa degli stessi incendi. I miliardi di dollari già in fumo o in procinto di diventare tali ormai sono fuori scala.

E l’ambiente certo non ne giova. Tonnellate di anidride carbonica nell’atmosfera e villaggi limitrofi ridotti a spettrali set di film post-nucleari. Aria irrespirabile e terreno a temperature inaccettabili (considerando che la maggior parte degli abitanti commina a piedi nudi…). Il livello di salute della popolazione è bassissimo, ma molti tendono a rimanere per evitare di perdere ciò che gli da da mangiare: lo stesso carbone che li sta uccidendo.

Come uscirne, beh, secondo la Bharat Coking Coal Ltd ed il governo indiano (che partecipa la società mineraria) basta continuare a sfruttare la miniera… per aumentare il profitto, ovviamente.

Angosciante. Un inarrestabile delitto alla luce del sole.

WU