Categoria: Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

Il valore aggiunto delle TECNOLOGIE viste da un punto di vista ingegneristico: Tecnologie edili, meccaniche, motoristiche e dei materiali. Cenni di scienze accompagnano l’approfondimento dei concetti fondamentali.

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I finalisti di Electrolux Design Lab 2011

L’edizione 2011 del concorso Electrolux Design Lab ha avuto come tema la ricerca di soluzioni creative per la mobilità degli elettrodomestici. Si è chiesto infatti a 1300 studenti e neolaureati in industrial design, di tutto il mondo, di proporre soluzioni “intelligenti e mobili” per la preparazione del cibo, la pulizia degli ambienti ed il lavaggio dei piatti, sia all’interno che all’esterno dell’ambiente domestico. Lo scopo non è solo quello di impiegare la creatività per realizzare in futuro elettrodomestici ad elevata portabilità, piuttosto realizzarli in modo che permettano un utilizzo flessibile che faccia risparmiare tempo e dia più spazio alle esigenze di ognuno di noi.

Clicca sull’immagine sotto per vedere il video degli 8 prodotti finalisti ideati dai migliori studenti di industrial design di tutto il mondo.

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Produzione dell’idrogeno – Metodi standard

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: Produzione dell’idrogeno

Sono diversi i metodi per ottenere idrogeno, attualmente però i più economici consistono nella sua estrazione dagli idrocarburi. Spesso l’idrogeno viene utilizzato nello stesso istante in cui viene prodotto, ciò evita di doverlo separare e stoccare. Questo avviene ad esempio nell’industria chimica e petrolchimica che lo adopera per: produrre energia elettrica da utilizzare in loco, eliminare lo zolfo dai carburanti, migliorare la qualità dei greggi pesanti, produrre ammoniaca (necessaria per molti fertilizzanti), produrre additivi per combustibili, ecc.

Reforming del gas naturale

Trattasi di un processo che consiste nella trasformazione catalitica endotermica di idrocarburi leggeri mediante l’uso di vapore acqueo. La reazione tra il metano ed il vapore acqueo (steam-methane reforming o SMR) produce monossido di carbonio e idrogeno (1° fase). Si tratta di una reazione endotermica ossia con assorbimento di calore. Tale reazione viene effettuata a temperature e pressioni elevate (temperature comprese tra 700°C e 1100°C e pressioni comprese tra 3 e 25 bar). La miscela ottenuta viene denominata Syngas o gas di sintesi:

1° Fase: CH4 + H2O + calore → CO + 3 H2

2° Fase (Shift Reaction): CO + H2O → CO2 + H2

La 2° fase è di notevole importanza per l’industria in quanto permette di ottenere idrogeno di elevata purezza (dal syngas) utile per la sintesi dell’ammoniaca. Interviene nella reazione un catalizzatore a base di ossidi di ferro e di cromo. Il biossido di carbonio e altre sostanze indesiderate vengono rimossi dalla miscela di gas per assorbimento o con l’ausilio di apposite membrane. Il gas residuo contiene circa il 60% di materie combustibili (H2, CH4, CO) che vengono utilizzate in parte per il riscaldamento del reformer e l’avvio del processo. Gli impianti di reforming a vapore producono circa 100.000 metri cubi di idrogeno all’ora.

Costi

Il contenuto energetico disponibile nell’idrogeno prodotto è più elevato di quello del metano utilizzato, tuttavia l’enorme mole di energia assorbita per il funzionamento degli impianti penalizza il rendimento del processo che è pari a circa il 65%. Il costo del gas naturale incide per il 50-70% sul prezzo finale dell’idrogeno negli impianti di grandi dimensioni, mentre incide per circa il 40% negli impianti di dimensioni minori. Se confrontato con l’elettrolisi, l’SMR ha costi notevolmente inferiori, inoltre esso ha un ridottissimo impatto sull’ambiente.

Metodi avanzati

La tecnologia SMR è stata affinata per la produzione “combinata” di idrogeno, vapore ed energia elettrica tramite un sistema integrato di produzione. La peculiarità di tali sistemi consiste nel recupero del calore prodotto al fine di impiegarlo nelle fasi di preriscaldamento e desulfurizzazione del metano, riscaldamento dell’acqua e generazione di vapore. L’idrogeno prodotto è impiegato direttamente per la produzione di energia elettrica che verrà poi erogata dall’impianto stesso. Tra i vantaggi di questa soluzione troviamo ovviamente un notevole risparmio in fase di progettazione (tre strutture in un unico progetto), un risparmio fino al 50% dei costi operativi dell’impianto, una riduzione dei costi fissi all’aumentare della produzione. Inoltre simili impianti riducono del 50% le emissioni di NOx mentre il CO prodotto dalle turbine a gas viene bruciato nel reforming stesso.

Attualmente però, gli impianti di reforming, forniscono energia elettrica solo alle industrie del settore chimico e petrolchimico con delle piccole reti di trasmissione anche se non sono da escludere maggiori impieghi futuri.

Altre reazioni di reforming (steam-reforming reactions)

Vi sono altre reazioni di reforming per ottenere idrogeno, vale a dire tramite:

propano e vapore acqueo: C3H8 + 3H2O + calore → 3CO + 7H2.

etanolo e vapore acqueo: C2H5OH + H2O + calore → 2CO + 4H2.

benzina e vapore acqueo: C8H18 + 8H2O + calore → 8CO + 17H2.

Gassificazione del carbone

Dalla gassificazione del carbone incandescente (coke, antracite, lignite, ecc.) con vapor d’acqua e, in parte, con aria, si ottiene il cosidetto “gas d’acqua”. Si tratta di una reazione endotermica (ossia con assorbimento di calore):

C + 2H2O → CO2 + 2H2 oppure C + H2O → CO + H2

Il calore viene somministrato miscelando, assieme al vapor d’acqua, una porzione d’ossigeno. In tal modo avviene anche la reazione esotermica (ossia con formazione di calore): C + O2 → CO2

L’ossido di carbonio prodotto nel primo stadio viene successivamente trattato con altro vapore acqueo a 400-500 °C (interviene nella reazione un catalizzatore a base di ossidi di ferro e di cromo): CO + H2O → CO2 + H2

La miscela gassosa ottenuta viene quindi purificata tramite un procedimento denominato “distillazione frazionata” (o rettifica) il quale permette di separare più di due sostanze volatili aventi punti di ebollizione diversi.

Produrre idrogeno dall’acqua: elettrolisi dell’acqua

La produzione di idrogeno per elettrolisi richiede l’impiego di energia elettrica. Energia necessaria per scomporre l’acqua nei suoi due elementi: idrogeno ed ossigeno. Tale energia è contenuta nell’idrogeno. La produzione di grandi quantità è pertanto conveniente solo in Egitto, Islanda e Norvegia, ovvero nei paesi dove la produzione di energia proviene dal largo impiego dell’idroelettrico. Per produrre energia utile dall’idrogeno, questo deve essere nuovamente legato ad un altro elemento, ed è esattamente ciò che avviene in una cella a combustibile.

La decomposizione di acqua in idrogeno e ossigeno, tramite elettrolisi, viene realizzata in celle elettrolitiche dette “elettrolizzatori”. Si tratta di recipienti contenenti l’elettrolita e divisi in due compartimenti da un diaframma microporoso in grado di far passare ioni. L’elettrolita, che generalmente si ritiene sia acqua, è in realtà una soluzione acquosa di idrossido di sodio che vanta migliori proprietà elettriche. Nella suddetta soluzione acquosa sono immersi due elettrodi (conduttori metallici) collegati ai poli ad un generatore (una pila o un accumulatore – corrente elettrica continua). L’elettrodo, collegato al polo positivo, si chiama anodo, quello collegato al polo negativo catodo. Sotto l’azione del campo elettrico generato dagli elettrodi, gli ioni presenti nell’elettrolita migrano: quelli di carica positiva (cationi) verso il catodo, quelli di carica negativa (anioni) verso l’anodo. Giunti a contatto con il catodo, i cationi acquistano elettroni e formano specie neutre. Gli anioni, giunti a contatto con l’anodo, cedono elettroni (cioè si ossidano) formando analogamente specie neutre. L’idrogeno (H2) si accumula quindi dalla parte del catodo e l’ossigeno (O) da quella dell’anodo. Se l’idrogeno viene utilizzato immediatamente, viene apportato ossigeno affinché abbia luogo la combustione. In tal caso entrambi gli elettrodi (anodo e catodo) dovranno essere realizzati con metallo inerte altrimenti avverrà l’ossidazione del metallo stesso e diminuirà la quantità di ossigeno disponibile.

Al catodo (-)  avviene la reazione di riduzione: 4 H+ + 4 e–  → 2 H2

All’anodo (+) avviene la reazione di ossidazione: 2 H2O → 4 H+ + O2 + 4 e–

La reazione globale è: 2 H2O → 2 H2 + O2

Usando come sorgente elettrica pannelli fotovoltaici o generatori eolici si pone il problema della discontinuità dell’alimentazione, ma i moderni elettrolizzatori hanno un comportamento dinamico e si adeguano al flusso discontinuo di energia elettrica, pertanto possono essere facilmente combinati con sistemi che usano fonti rinnovabili.

L’elettrolisi dell’acqua è il metodo più semplice, e sul quale si effettuano più ricerche, per ricavare idrogeno. Ciononostante l’ottenimento di una data quantità di gas comporta una spesa energetica maggiore di quanta poi l’idrogeno ne potrà fornire. Il processo non è pertanto vantaggioso al momento, ragione per cui viene utilizzato solo nel 3% dei casi.

Elettrolisi ad alta pressione

Gli elettrolizzatori ad alta pressione, a differenza dei tradizionali, sono realizzati mediante materiali in grado di permettere pressioni fino a 50 bar e oltre. Attualmente sono in fase di studio processi che dovrebbero consentire la combinazione dell’elettrolizzatore con generatori elettrici fluttuanti: generatori eolici, impianti fotovoltaici.

Elettrolisi ad alta temperatura

Anni fa, l’elettrolisi ad alta temperatura, è stata ritenuta una interessante alternativa. Ci si aspettava che potesse fornire una frazione dell’energia necessaria sotto forma di calore ad alta temperatura (800-1000 °C), questo avrebbe consentito l’impiego di meno energia elettrica. Si è pensato anche all’utilizzo del calore prodotto da un concentratore solare (specchio parabolico) o a quello non utilizzato da una centrale termoelettrica, tuttavia non sembrano esserci aggiornamenti in merito.

Altri metodi di produzione
Piccoli reformer

Da alcuni anni si studiano piccoli reformer (reforming a vapore, ossidazione parziale) per la produzione di idrogeno in combinazione con celle a combustibile. Tali sistemi sono rivolti perlopiù ai veicoli ed a piccoli sistemi fissi. Se i risultati dovessero essere incoraggianti si spera di poter sfruttare la maggiore densità energetica e il più semplice impiego dei convenzionali carburanti liquidi in celle a combustibile. Il reforming e l’ossidazione parziale di metanolo e di benzina rivestono un particolare interesse in questa ricerca.

Ossidazione parziale degli idrocarburi

Si può ottenere idrogeno anche come prodotto della reazione di ossidazione parziale degli idrocarburi:

CH4 + 0,5 O2 → CO + 2 H2

Viene definita “ossidazione parziale” la trasformazione termica di idrocarburi pesanti (es. i residui di oli pesanti dell’industria petrolchimica) con l’apporto di ossigeno e, in misura ridotta, anche di vapore acqueo. Con le giuste proporzioni di ossigeno e vapore acqueo è possibile dar luogo alla gassificazione senza fornire energia dall’esterno. Il metodo dell’ossidazione parziale è fattibile anche con il carbone il quale viene finemente triturato e miscelato con acqua allo scopo di ottenere una sospensione con un contenuto solido del 50-70%. Tale sistema risulta essere conveniente (dal punto di vista economico) solo nei paesi grandi produttori di carbone: Sudafrica, Cina. E’ opportuno sottolineare che se, a medio e a lungo termine, l’idrogeno dovesse acquisire notevole importanza nel settore energetico, la sua produzione tramite reforming convenzionale, o ossidazione parziale di gas naturale, petrolio o carbone, è poco consigliabile dal punto di vista ambientale, perché non riduce le emissioni di CO2.

Sottoprodotto di processi petrolchimici

Sì può altresì ottenere idrogeno come sottoprodotto dei processi petrolchimici di cracking (processo attraverso il quale si ottengono idrocarburi paraffinici leggeri per rottura delle molecole di idrocarburi paraffinici pesanti).

Produzione in laboratorio

In laboratorio si può ottenere idrogeno generalmente con la reazione degli acidi con metalli, come lo zinco o l’alluminio:

Zn + 2 H3O+ → Zn2+ + H2 + 2 H2O

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

Dalla reazione (piuttosto lenta) del boroidruro di sodio NaBH4 (idruro irreversibile) con l’acqua vengono liberate 4 moli di idrogeno per mole di composto a temperatura ambiente. In condizioni ottimali vengono liberati 0,213 g di idrogeno per 1 g di NaBH4, ovvero 2,37 litri (gas STP) per mole di composto.

NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4 H2

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Nell’immagine un elettrolizzatore di piccole dimensioni per esperimenti di tipo scolastico
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Fattore di moltiplicazione

Diversi articoli di questo blog contengono delle misure, scarsamente utilizzate nel quotidiano, che sono espresse ad esempio in “nm” nanometri (vedi ad esempio gli articoli sui nanomateriali). Per semplificare a tutti la comprensione dei fattori di moltiplicazione, riportiamo di seguito una semplice scala la quale, ovviamente, è applicabile per una lunghezza così come per la massa di un corpo o lo spazio di un disco fisso, ecc.

1018 = exa (E)

1015 = peta (P)

1012 = tera (T)

109 = giga (G)

106 = mega (M)

103 = kilo (k)

102 = etto (h)

101 = deca (da)

1·100 = 1 (unità)

10-1 = deci (d)

10-2 = centi (c)

10-3 = milli (m)

10-6 = micro (μ)

10-9 = nano (n)

10-12 = pico (p)

10-15 = femto (f)

10-18 = atto (a)

Così abbiamo ad esempio 1 nanometro che corrisponde ad 1·10-9 metri, ovvero 0,000000001 metri. Oppure 1 micrometro che equivale ad 1·10-6 metri, ovvero 0,000001 metri. O ancora 1 Gigabyte che corrisponde a 1·109 byte, ovvero 1.000.000.000 (1 miliardo di byte).

Se desidero conoscere 1 millimetro a quanti nanometri corrisponde, è sufficiente moltiplicare 1 mm · 106. Il motivo è semplicissimo. Chi ha poca confidenza con le unità di misura sarà andato a vedere la scala sopra (spero) dopo aver letto che è necessario moltiplicare per 106 e, a tale fattore di moltiplicazione, avrà visto corrispondere il “mega (M)”. Così si sarà chiesto: per passare da millimetri (mm) a nanometri (nm), che c’entra il mega che nella scala si trova da tutt’altra parte? In effetti il salto dal millimetro al nanometro è di 1 milione. Questo significa che 1 millimetro corrisponde ad 1 milione di nanometri ovvero 1 mm = 1·106 nm.

Come lo deduco? E’ sufficiente creare un rapporto tra l’unità di misura di partenza e quella alla quale si vuole arrivare. Nel caso del passaggio da 1 mm ad 1 nm si considera che 1 mm = 1·10-3 m e che 1 nm = 1·10-9 m. Dividendo 10-3 per 10-9 (ovvero 10-3/10-9) ottengo (mediante opportune trasformazioni matematiche degli esponenti) 10-3-(-9) = 10-3+9 = 10+6 = 1.000.000. Il passaggio dal millimetro al nanometro equivale quindi ad un fattore di moltiplicazione pari ad 1 milione.

Se, al contrario, desidero sapere 1 nanometro a quanti millimetri corrisponde, posso semplicemente considerare che, essendo 1 nm = 10-9 m e 1 mm = 10-3 m, allora 1 nm è uguale a 10-6 mm in quanto inverto il rapporto precedente. Divido cioè 10-9 per 10-3 (ovvero 10-9/10-3) ed ottengo (mediante le medesime trasformazioni degli esponenti citate poco prima) 10-9-(-3) = 10-9+3 = 10-6 = 0,000001. Il passaggio dal nanometro al millimetro equivale quindi ad un fattore di moltiplicazione pari ad 1 milionesimo. Ovviamente non poteva essere altrimenti: l’inverso del caso precedente.

Note. Per comprendere meglio le trasformazioni effettuate sugli esponenti, vedi le loro proprietà al seguente link:

http://it.wikipedia.org/wiki/Potenza_%28matematica%29

scala_fattore_moltiplicazione.jpg

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Materiali nanostrutturati

I materiali nanostrutturati sono quei materiali le cui proprietà strutturali e funzionali dipendono da componenti con almeno una delle tre dimensioni su scala nanometrica (1 nm = 10-9 m). Tale scala rappresenta una zona di confine in cui vi è il passaggio tra il mondo macroscopico, in cui vale la fisica classica, e la scala atomica, regolata invece dalla meccanica quantistica.

Le nanotecnologie comportano la capacità di controllare e manipolare la materia sulla scala nanometrica ed hanno lo scopo di sfruttare le proprietà ed i fenomeni fisici e chimici che si manifestano su tale scala. Le particelle dalle dimensioni inferiori ai 100 nm (0,0001 mm) mostrano proprietà e comportamenti nuovi. Sotto una certa dimensione critica, infatti, cambiano: la struttura elettronica, la conducibilità, la reattività, la temperatura di fusione e le proprietà meccaniche.

Attraverso la nanotecnologia è oggi possibile produrre una importante varietà di nanostrutture e di materiali nanostrutturati. Le diverse tipologie di nanostrutture si distinguono in base al numero di dimensioni in cui si ha confinamento:

Quantum well: se solo una delle dimensioni è ridotta alla scala nanometrica mentre le altre due dimensioni rimangono macroscopiche. Ad esempio uno strato con spessore nanometrico: film sottile.

Quantum wire: se le dimensioni in cui si ha confinamento sono due. Ad esempio i nanotubi di carbonio.

Quantum dot: se le dimensioni in cui si ha confinamento sono tre. Ad esempio le nanoparticelle.

Per farsi un’idea circa le dimensioni…

Il diametro di un capello è pari a circa 10 micron (0,01 millimetri) ovvero circa 10.000 nanometri.
Una proteina ha dimensioni comprese tra 1 e20 nanometri, ovvero tra 0,000001 e 0,00002 mm.
In 2,5 nm3 di materiale possiamo trovare circa 1.000 atomi.
Può esserti utile leggere l’articolo “Fattore di moltiplicazione” per avere un’idea delle grandezze in gioco.

Continua…

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Discorso di Richard Feynman (premio Nobel per la fisica – 1965)
scritto manipolando la materia attraverso un nanoplotter
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Fotosintesi clorofilliana

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi è il processo attraverso il quale l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica. Quest’ultima, a sua volta, viene utilizzata per la formazione di composti organici contenenti energia come i glucidi e, in particolare, il glucosio. Una parte dei glucidi viene adoperata direttamente sia per la formazione di sostanze ancora più complesse, sia per la respirazione cellulare (ossidazione dei glucidi) e quindi per liberare l’energia chimica richiesta dalla cellula stessa.

Uno degli effetti della fotosintesi consiste nella liberazione di ossigeno, un gas molecolare molto reattivo che ha favorito lo sviluppo e l’evoluzione della vita come la conosciamo oggi. Perchè avvenga il processo fotosintetico è necessaria la presenza di:

Acqua. Copre il 70,8% della superficie del pianeta. Allo stato liquido penetra direttamente nelle cellule dei vegetali acquatici mentre, nei vegetali terrestri, viene assorbita dai peli radicali e condotta, grazie ai vasi conduttori, fino alle foglie.

Anidride carbonica. E’ presente allo stato gassoso in aria e in soluzione in acqua. Viene assorbita dai vegetali tramite aperture dette “stomi”. Il carbonio presente nella molecola di anidride carbonica (CO2) viene adoperato per costruire composti organici necessari alle piante.

Luce. Si propaga nello spazio come un’onda elettromagnetica composta da radiazioni di diversa lunghezza d’onda: raggi X, raggi ultravioletti, luce visibile, raggi infrarossi e onde radio. La luce visibile (lunghezza d’onda 400-700 nanometri) è l’unico tipo di radiazione luminosa utilizzabile dalle piante verdi per i processi fotosintetici. La luce che arriva sulla superficie di una foglia viene in parte riflessa, in parte trasmessa attraverso i tessuti ed in parte assorbita dai pigmenti contenuti nelle cellule delle parti verdi della pianta.

Pigmenti (in particolar modo clorofille). L’energia luminosa viene trasformata in energia chimica grazie ai pigmenti. Si tratta di particolari sostanze colorate contenute nei cloroplasti, gli organuli dove si svolgono le reazioni della fotosintesi. Il pigmento che maggiormente contribuisce alla realizzazione del processo fotosintetico è la clorofilla (dal caratteristico colore verde) la cui molecola, piuttosto complessa, contiene un atomo di magnesio. Tale molecola è solubile in alcool, acetone e benzolo. Se una soluzione di clorofilla grezza è attraversata da luce bianca, essa assorbe parte delle radiazioni che costituiscono la luce stessa (soprattutto nel range del rosso al quale corrisponde una intensa produzione di ossigeno, meno in corrispondenza del blu).

Sebbene la fotosintesi avvenga in due fasi ben distinte (fase luminosa e fase oscura), possiamo riassumere l’intero processo con la formula generale:

6 CO2 (Anidride carbonica) + 6 H2O (Acqua) + Luce → C6H12O6 (Glucosio) + 6 O2 (Ossigeno)

Continua…
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fotosintesi_clorofilliana.jpg

L’immagine schematizza in maniera estremamente semplice e sintetica il processo della fotosintesi
indicando semplicemente i reagenti ed i prodotti.
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Che cos’è un vettore energetico?

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Vettore energetico e fonte energetica primaria

Cosa distingue una fonte primaria di energia da un vettore energetico? Energia solare, energia eolica, energia potenziale gravitazionale (posseduta da una certa massa d’acqua ad una determinata quota altimetrica), energia nucleare, energia delle biomasse, gas naturale, petrolio grezzo, legno, carbone, moti ondosi, vento e geotermico sono esempi di fonti primarie di energia. Essi, infatti, sono direttamente utilizzabili appena raccolti.

Un vettore energetico è una sostanza o un fenomeno che può essere utilizzato per produrre lavoro meccanico o calore, o ancora per operare processi chimici o fisici (ISO 13600). Si tratta di un sistema o di una sostanza che contiene energia che può essere convertita ed utilizzata in un secondo momento e in un altro luogo*. Si parla di vettore e non di fonte energetica tutte le volte che il composto a cui ci si sta riferendo deve essere prodotto e raccolto a partire da una forma di energia precedente. L’elettricità (ricavata ad esempio dal sole, o da una centrale idroelettrica, ecc), l’idrogeno (ricavato dall’acqua o da fonti fossili) , le molle, le batterie (caricate ad esempio da un pannello fotovoltaico o dalla rete elettrica domestica), i condensatori, l’aria compressa, l’arginamento dell’acqua (ottenuto mediante dighe), i prodotti petroliferi (la benzina, il GPL -gas di petrolio liquefatto-, il gasolio, sono ricavati dal petrolio grezzo) sono “vettori energetici”.

E’ opportuno ricordare però che carbone, petrolio, legno, gas naturale, moti ondosi, vento, geotermico, derivano da un’unica fonte di energia primaria: il sole. Ma, come abbiamo detto nell’articolo inerente le caratteristiche dell’idrogeno, il sole è formato, per oltre il 70% della sua massa, da idrogeno. Questo significa che un domani potremmo affermare di ricavare idrogeno dall’idrogeno perchè ad esempio lo produrremo sfruttando l’energia solare.

*Questa definizione può trarre in inganno e far pensare al legno ed al carbone (per esempio) come a vettori energetici. Sono gradite correzioni in merito, per migliorare questo articolo, da lettori preparati ed esperti in materia. Grazie.

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Vi raccontiamo l’idrogeno

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: L’atomo responsabile della vita è il più semplice della tavola degli elementi

L’atomo più “chiacchierato” degli ultimi anni, specie per problematiche legate all’autotrazione ed all’abbattimento delle emissioni inquinanti, è senza dubbio l’idrogeno. Si tratta del primo atomo della tavola degli elementi, il più semplice ed allo stesso tempo il più importante, l’atomo responsabile della vita sul nostro pianeta. Il sole ne è costituito per il 74% della massa e per oltre il 90% del volume. Fonti di energia come il carbone, il petrolio, il metano, i moti ondosi, il vento ed il geotermico, sono fonti energetiche che derivano da una fonte primaria imprescindibile: il sole (e quindi dall’idrogeno). Vediamo nel dettaglio le sue caratteristiche:

Simbolo: H

Numero atomico: 1. Il numero atomico è il numero di protoni di cui è costituito l’atomo

Peso atomico: 1. Unità di misura arbitraria adottata per non utilizzare il “grammo” considerato oltremodo scomodo per misure così piccole. Per fare altri esempi di chiarimento, l’azoto ha un peso atomico pari a circa 14, l’ossigeno pari a circa 16, l’alluminio pari a circa 27, il ferro pari a circa 56, il piombo pari a circa 207.

Numero di elettroni: 1.

Configurazione elettronica: 1s’. Questa terminologia, apparentemente incomprensibile, sta a significare che nell’orbitale 1s vi è un elettrone. L’orbitale 1s è la prima regione di spazio, situata attorno al nucleo, sulla quale è presente, in questo caso, l’unico elettrone dell’atomo di idrogeno. Se si fosse trattato dell’elio, nella medesima regione avremmo trovato 2 elettroni e la configurazione elettronica sarebbe stata: 1s2.

Tipologia: non metallo. Possiamo distinguere gli atomi tra: metalli, non metalli, semimetalli. Un gas ad esempio è un non metallo, vedi ad esempio: ossigeno, azoto, elio, idrogeno. Atomi come ad esempio boro e silicio sono semimetalli; atomi come palladio, cadmio, platino, molibdeno, potassio, ferro, alluminio, sono metalli.

Proprietà acido basiche: ossido anfotero, ossia un ossido che può maniferstare sia un comportamento acido che basico.

Punto di ebollizione: -255,77°C. Ovvero il valore di temperatura e pressione (generalmente pressione atmosferica) alla quale coesistono la fase liquida e la fase aeriforme di una sostanza.

Punto di fusione: -259,2°C. Ovvero il valore di temperatura e pressione (generalmente pressione atmosferica) alla quale coesistono la fase solida e la fase liquida in equilibrio termodinamico, cioè senza che vi sia transizione fra le due fasi.

Raggio atomico: 0,32 Å. Si misura in ångstrom ovvero 1 x 10-10 metri. Il raggio (apparente) di un atomo, convenzionalmente, è pari alla metà della distanza minima di avvicinamento tra due atomi della stessa specie.

Numero di ossidazione: 1. Numero di elettroni cedibili o acquisibili “virtualmente” durante la formazione di un composto.

Energia di ionizzazione: 313 (kcal/g) mole. Misura sperimentale del lavoro necessario per strappare un elettrone dall’atomo neuto o da un atomo già ionizzato.

Elettronegatività (secondo Pauling): 2,1. La tendenza ad acquistare elettroni (più elevata nei non metalli).

Temperatura di autoaccensione: 500°C c.a. in aria con 21% di O2.

Entalpia di combustione: –286 kJ/mol.

Reazione di combustione con l’aria: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol.

Infiammabilità: elevata. Brucia in aria a concentrazioni da 4 a 75 parti di idrogeno su 100 parti d’aria. Brucia in atmosfera di cloro a concentrazioni da 5 a 95%.

Utilizzo: nella produzione di ammoniaca, nell’idrogenazione degli oli vegetali, in aeronautica, in qualità di combustibile alternativo, come riserva di energia nelle pile (o celle) a combustibile.

L’idrogeno allo stato elementare lo troviamo nella forma di molecola biatomica: “H2”. Tale molecola, a pressione atmosferica e temperatura ambiente (298K), si presenta come un gas incolore, inodore, altamente infiammabile. L’idrogeno è l’elemento più abbondante di tutto l’universo conosciuto (si trova nell’acqua, nei composti organici e negli organismi viventi). Nonostante ciò sulla terra è scarsamente presente nella forma libera e non è assolutamente facile da produrre. Per assurdo il modo più semplice di produrre l’idrogeno è attraverso il petrolio o altri combustibili fossili. Circa il 97% dell’idrogeno prodotto deriva dai combustibili fossili, tale processo porta all’emissione di elevate quantità di CO2 dannose per il pianeta in quanto favoriscono l’effetto serra. L’altro 3% di idrogeno prodotto proviene dall’elettrolisi dell’acqua. Per essere considerato (ad esempio) un carburante “pulito” è necessario valutare “come viene prodotto” e quindi quanta CO2 viene emessa per produrlo. Per essere considerato vantaggioso invece è necessario effettuare un bilancio della spesa (energetica) sostenuta per produrlo e dell’energia che se ne ricava. La scienza sta facendo enormi passi avanti per produrre l’idrogeno a basso costo ed in maniera realmente pulita grazie a microrganismi come batteri rossi, cianobatteri e microalghe.

Potrebbe interessarti leggere l’articolo: I numeri dell’idrogeno.

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Realizzare da soli il proprio brevetto. Ecco il perchè.

Rubrica: Sogni il tuo brevetto?
Titolo o argomento: Realizzare il proprio brevetto autonomamente per essere competitivi da subito

Siamo un popolo che nel mondo è definito “di mente creativa”. Non mancano mai da noi idee, metodi, soluzioni, invenzioni, tecniche. Nonostante tutto è opportuno sottolineare che solo una minima parte delle tante idee e brevetti proposti, ha una reale utilità e possibilità di diffusione sui mercati di tutto il mondo. Questo perchè, spesso, chi brevetta un’idea non ha una preparazione tecnica tale da poterne valutare la reale efficacia ed utilità. Altre volte un’idea valida non viene realizzata correttamente perchè non si hanno al seguito tecnici preparati. Ciò accade soprattutto per mancanza di fiducia in quanto si teme che qualche furbacchione copi l’idea migliorandola ed avendo successo facile al posto nostro.

E’ bene sapere che, anche coprendo la vostra idea con un brevetto, non siete comunque blindati al sicuro come vorreste. Anzi, diverse volte si verifica un fenomeno alquanto spiacevole. Coprite la vostra idea con un brevetto (o più di uno) magari in Europa, in Cina, in India, negli Stati Uniti; investite una fortuna ogni anno ma sapete bene che questo non può durare a lungo. Sperate di “piazzare” la vostra idea il prima possibile (magari in un anno) ma tutte le risposte sono picche. Poi un bel giorno terminate il rinnovo del vostro brevetto e, magicamente, dopo sole poche settimane la vostra idea è in commercio ad opera di altri. In simili casi lo sconforto e la perdita di fiducia (oltre che di denaro) è massima. Allora come comportarsi?

In un mondo che ormai offre strumenti di ogni genere, e dimensione, per competere non sarebbe una cattiva idea produrre da soli la propria idea. Strumenti che una volta erano a disposizione solo di grandi aziende, oggi sono a disposizione di tutti. Avete bisogno di farvi realizzare uno stampo? C’è l’azienda che offre tale servizio al privato o al libero professionista, all’ingegnere, al tecnico, ecc. Avete bisogno di un prototipo? Navigate su internet e scoprite centinaia di aziende in grado di effettuare lavori di prototipazione rapida per voi. Avete bisogno di materia prima? Il mondo è a vostra disposizione.

Trovate dei validi legali e accordatevi con chi può realizzare ogni singola parte del vostro progetto dopodiché… mettetela in commercio. Realizzate un sito web anche di sole 5 pagine purché tecnicamente ben progettato, visibile e facile da visitare. Scoprirete che quello che avreste speso in tanti anni di copertura del brevetto potrebbe essere di gran lunga superiore a quello che vi è costato realizzare e distribuire autonomamente la vostra idea. Ovviamente copritela comunque con ogni brevetto necessario ma cercate di andare in positivo, o quantomeno al pari, entro un paio d’anni. Una volta che sarete presenti sul mercato, potreste andare incontro a piacevoli sorprese.

Eh già perchè quando siete un’idea, siete abbattibili, sostituibili, talvolta completamente neutri. Ma quando siete una realtà (a patto ovviamente che la vostra idea sia realmente valida, utile, vantaggiosa e logica da un punto di vista tecnico e della sua funzione), quando siete in crescita, quando iniziate ad essere percepiti da chi vi circonda, qualcuno un giorno potrebbe contattarvi per proporvi accordi, collaborazioni o per acquistare il vostro brevetto. Ma questo, se accadrà, sarà accaduto perchè vi sarete mossi per primi.

Prototipazione rapida

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Nuove tecnologie. Sono sempre migliori?

Assolutamente non è detto. Molti dei prodotti presentati come “innovativi” presentano lati piuttosto svantaggiosi. Di seguito alcuni esempi inerenti prodotti di larga diffusione.

Bici

La bicicletta rappresenta il mezzo di spostamento semplice per eccellenza. Quello che non si rompe mai, che funziona sempre, che ti permette di andare dappertutto, che dura decine di anni e che, quando proprio dice basta, si ripara con costi contenuti. Negli ultimi anni però abbiamo assistito ad una importante diffusione di biciclette per uso non agonistico (utilizzate per semplici scampagnate se non addirittura su strada) le quali ereditano componenti derivate dalle corse. Troviamo sulle strade di tutti i giorni mountain bike biammortizzate, dotate di forcella idraulica e freni a disco. L’elenco dei problemi di tali biciclette è notevole.
In più di un caso, ci si sente dire al momento dell’acquisto che bisogna riportare la bici in negozio per i tagliandi altrimenti decade la garanzia (stiamo sempre parlando di una bicicletta giusto?). Dopo un arco di tempo piuttosto limitato si deve intervenire per sostituire i paraoli della forcella perchè lasciano trafilare l’olio e si perdono le prestazioni desiderate e, spesso, mai sfruttate del prodotto. Ci si ritrova a portare la bici dal tecnico per sostituire le pasticche perchè si ha il timore di andare incontro ad un’operazione troppo complessa e, nell’uso semplice stradale o soft-campagnolo, non si avverte una frenata ottimale in quanto pasticche e dischi non riescono ad andare in temperatura con andature tranquille. Insomma, in soldoni, ci si può benissimo rendere conto che un freno di tipo V-Brake, già ottimale nelle competizioni, rappresenta realmente il top anche su strada. Ci si può rendere conto che una forcella ad elastomeri, per un uso da normale ciclista, è praticamente indistruttibile e longeva senza manutenzione alcuna. Ci si può rendere conto del fatto che il discorso del decadimento di garanzia, su una bicicletta, è assurdo e che è molto piacevole durante il weekend, avere un rapporto di pura passione con il proprio mezzo e curarlo senza timore di andare incontro a sciocchi decadimenti di garanzia.

A meno che tu non sia un ciclista di down-hill o cross-country (agonista o anche solo fortemente appassionato), potresti accontentarti di freni v-brake, telaio monoammortizzato e forcella ad elastomeri. Oltre a non avere praticamente “mai” bisogno di manutenzione, ridurrai il rischio di problemi e non vi sarà bisogno alcuno di tagliandi salva-garanzia.

Motori

Passiamo ai motori? Di recente è diventato davvero facile trovare motori con cilindrate modeste, se non ridotte, e potenze notevoli. Poco male se si considera che i sistemi di alimentazione (aspirazione, iniezione, elettronica) e accensione sono stati migliorati ed evoluti per ridurre i consumi e le conseguenti emissioni inquinanti. Malissimo, invece, se solo si considera che, molti di questi veicoli dei quali non farò nomi, sono dotati di organi meccanici sottodimensionati e con ridotti coefficienti di sicurezza. I monoblocchi sono esili, altrettanto si può dire dei cappelli di biella e di banco e delle relative viti, molti alberi motore delle versioni top di gamma sono realizzati con lo stesso dimensionamento e gli stessi materiali del modello con la potenza più contenuta. Stesso dicasi per cambi e frizioni. Risultato? Il motore deve essere sempre perfettamente a punto e trattato con la massima cura durante l’utilizzo a freddo e a caldo. Inoltre le sue prestazioni massime possono essere richieste solo durante precisi e limitati intervalli di tempo ed in precise condizioni d’utilizzo. Pena l’usura precoce di diversi organi e la facile rottura degli stessi in caso di imprevisti. Spesso si pensa di avere il massimo della tecnologia sotto il sedere e invece si dispone di un mezzo che è sì prestante, ma molto, molto fragile. Come del resto accade nelle corse. Ciò ovviamente si traduce in un obbligo di sostituzione più frequente del proprio veicolo.

Quando acquisti la nuova auto potrebbe non essere una cattiva idea acquistare il modello con la cilindrata intermedia e la minore potenza erogata. Questo aumenterà la longevità del tuo veicolo perdendo prestazioni di cui in fondo, su strada, non hai bisogno. Per la pista puoi puntare su potenze specifiche di ogni livello dato che gli interventi di manutenzione sono più frequenti e ragionati in tutt’altra maniera.

Elettronica

E l’elettronica? Grazie alle tecnologie sempre più avanzate e “microscopiche”, o meglio, nanometriche, è possibile aumentare le prestazioni dell’hardware di un computer. La prestazione desiderata viene senza ombra di dubbio raggiunta ma, molti ignorano, vi è un prezzo elevato da pagare. Non tanto all’acquisto del vostro nuovo supercomputer, quanto più durante l’utilizzo, o un’assistenza, o un upgrade che si può rivelare fatale. Un tecnico con il quale ho parlato di recente,  mi ha raccontato della frequenza con cui si possono danneggiare le microscopiche piste delle schede elettroniche. E’ sufficiente un brutto scherzo da parte delle “scariche elettrostatiche”. E’ sufficiente non indossare gli appositi braccialetti antistatici durante l’assistenza. E’ sufficiente deumidificare eccessivamente la stanza dove si trova il computer (l’aria secca infatti permette un movimento molto agevolato delle cariche elettrostatiche). E’ sufficiente un’inezia e il computer “super-plus-ultra”, acquistato anche solo il giorno prima, può danneggiarsi seriamente. Tanto più le geometrie delle componenti elettroniche sono ridotte, tanto maggiore è il fenomeno. Se si considera che si progettano sistemi operativi e software che in gergo definiamo sempre più “pesanti” e si deve, per forza di cose, adeguare l’hardware, ne viene da sé che ce le andiamo praticamente a cercare. Nella stragrande maggioranza dei casi, poi, il software di ultima generazione non siamo nemmeno in grado di sfruttarlo a pieno e, i guadagni ottenuti, non giustificano le spese sostenute.

Non sarebbe male provare un sistema operativo “free” ed i relativi software “free”. Puoi scoprire un mondo gratuito che allunga gli intervalli di sostituzione del tuo hardware con altro più prestante.

Conclusioni

In tutto questo, cosa sbagliano le case produttrici di prodotti hi-tech? Nulla (o quasi). Per sopravvivere in una giungla chiamata “mercato” è necessario produrre ciò che il cliente desidera acquistare. Ognuno di noi è anche un cliente ed ognuno di noi, in fondo in fondo, desidera sempre di più, continui miglioramenti, numeri più grandi, prestazioni più esasperate… anche quando questo non ha poi molto senso. Chi produce qualcosa per noi, semplicemente, lo fa con l’intento di saziare una fame inesauribile e spesso irrazionale.

Ricorda comunque che, generalmente, ciò che offre prestazioni al top spesso esasperate, ha una vita limitata o un bisogno di cure e attenzioni continue, costanti se non addirittura maniacali. Se il tuo obiettivo è testare, scoprire, gustare… può starci. Se il tuo obiettivo è fare un acquisto e non pensarci più, ricordati questo articolo 🙂

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A prestazioni sopra la media corrispondono cure, attenzioni ed impegni sopra la media