Sparks

Il primo elemento

 By Michela Bellettato

Il primo a formarsi negli istanti successivi al big bang, il più abbondante della galassia, il primo della lista nella tavola periodica perché il più leggero tra gli elementi chimici: l’idrogeno

La lunga e turbolenta evoluzione cosmica ne ha portato un po’ anche sulla Terra combinandosi con altri elementi e distribuendosi in maniera diversa nelle “sfere” che la costituiscono. Prevale come acqua nell’atmosfera, idrosfera e, in parte, nella litosfera che, con la biosfera, lo contiene anche sotto forma di composti organici. L’idrogeno allo stato elementare, come H2, è presente in quantità trascurabili essendo un gas tanto leggero da scappare alla forza di gravità e uscire dall’atmosfera. Perciò non è stato facile da scovare!

Generatore d’acqua

Dopo Paracelso e Robert Boyle, nel 1766 Henry Cavendish dalla reazione di un metallo con un acido liberò uno strano gas incolore e inodore che definì “aria infiammabile”. Qualche anno dopo, Lavoisier verificò la scoperta di questo gas la cui combustione produceva acqua e decise di chiamarlo Hydrogène, in greco “generatore di acqua”.
Dopo la scoperta, non restava che studiarne le proprietà. Un’impresa tutt’altro che semplice data la sua elevata infiammabilità. In condizioni ambientali normali, l’idrogeno si combina spontaneamente e in modo esplosivo con l’ossigeno producendo fiamme invisibili velocissime nella loro corsa verso l’alto e calde tanto quanto la temperatura di 2700 °C può essere.

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L'apparato ideato da Cavendish per la produzione di idrogeno in laboratorio (Philosophical Transactions)

Quindi: un gas che libera energia reagendo naturalmente con l’ossigeno dell’aria emettendo innocua acqua… Interessante!
Fin qui pare piuttosto semplice finché non ripensiamo alla sua disponibilità nelle varie “sfere”.
La stessa acqua e gli idrocarburi sono le principali sedi dell’idrogeno che può essere estratto in modi diversi. Oggi la più diffusa è quella che vede il trattamento di gas metano (CH4) o altri idrocarburi con vapore ad alta temperatura. I processi di questo tipo comportano la formazione di composti inquinanti come CO e CO2 in miscela con l’idrogeno. Vari studi stanno anche valutando l’efficienza nell’ottenere idrogeno sia dall’attività di batteri rossi, cianobatteri e microalghe, che dalla gassificazione di rifiuti solidi urbani e plastiche non riciclabili. Quest’ultimo processo prevede la decomposizione della materia organica con un trattamento termico ad alta temperatura in atmosfera quasi priva di ossigeno.

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Fiala di idrogeno luminescente ultrapuro (Jurii, images-of-elements.com)

Incontri ravvicinati

Più pulita è la sua estrazione dalla molecola d’acqua che viene scissa più efficientemente col processo di elettrolisi. Nelle cosiddette celle elettrolitiche l’acqua viene attraversata da una corrente elettrica che la dissocia in ioni H+ e OH, questi corrono rispettivamente verso il catodo e l’anodo dove si formano da un lato idrogeno e dall’altro ossigeno gassosi. Per mantenerci puliti, occorre che l’energia per l’elettrolisi provenga da una fonte rinnovabile come, per esempio, il sole. L’idrogeno prodotto in questo modo può essere considerato una delle risorse ideali per alimentare auto elettriche; per farle funzionare dobbiamo riavvolgere il nastro e lo facciamo all’interno delle celle a combustibile (o fuel cells).
Qui accade l’inverso di ciò che abbiamo visto nelle celle elettrolitiche; l’idrogeno in forma molecolare H2, che abbiamo faticosamente ottenuto, viene spezzato nei due atomi H+ caricati positivamente ed elettroni. Sono proprio questi che, passando per un circuito esterno, forniscono una corrente che alimenta il motore elettrico. Una volta che questi tornano al catodo della cella insieme agli ioni positivi di idrogeno, questi si combinano con l’ossigeno comodamente fornito dell’aria producendo… di nuovo acqua!

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I dipendenti Toyota ispezionano una vettura Toyota Mirai alimentata a celle a combustibile (Reuters)

A questo sistema di celle a combustibile è, dunque, associato il serbatoio di idrogeno che deve essere mantenuto a una pressione che può arrivare fino a 700 bar (più o meno quella che sta sotto di noi a 2,5 km di profondità). Questo valore così elevato è necessario per contrastare il più possibile la sua scarsa densità energetica in termini di volume. Infatti, pur avendo una densità energetica in massa che supera quella di tutti i più comuni carburanti (142 MJ/Kg rispetto ai 54 del metano e ai 46 della benzina), le molecole tendono a non voler stare un granché vicine né, tanto meno, a passare allo stato liquido (a meno di non spingerci a 259 °C sotto zero!). Perciò, loro malgrado, bisogna costringerle ad avvicinarsi per farne stare il più possibile dentro la bombola e allungare l’autonomia di viaggio.
Percorsi lunghi, tortuosi, costellati di osservazioni, esperimenti e ispirazioni dalla natura che portano le nostre auto verso una mobilità sempre più compatibile con l’ambiente e con le persone.

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Michela Bellettato
Geologa, dagli atomi alle stelle passando per la Terra