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Collana Le Origini - I SISTEMI A RIDUZIONE DI OSSIGENO

Autore Gianfranco Rocchi | Chief Communication Officer | 12 Gennaio 2021 |

l’atmosfera modificata e controllata: una storia millenaria

  1. Giuseppe ammassò il grano come la sabbia del mare, in grandissima quantità, così che non se ne fece più il computo, perché era incalcolabile.
  1. Poi finirono i sette anni di abbondanza nel paese d'Egitto
  2. e cominciarono i sette anni di carestia, come aveva detto Giuseppe. Ci fu carestia in tutti i paesi, ma in tutto l'Egitto c'era il pane.
  1. La carestia dominava su tutta la terra. Allora Giuseppe aprì tutti i depositi in cui vi era grano e vendette il grano agli Egiziani, mentre la carestia si aggravava in Egitto.

(Genesi)

La storia di Giuseppe, raccontata nella Genesi, ha diverse chiavi di lettura; quella che a noi qui interessa riguarda la storia dell’economia. 

Si, lo so, la prendo un po’ larga ma se avete la pazienza di seguirmi vedrete che arriveremo presto a tema centrale di questo articolo.

Nelle righe appena riportare, si racconta della politica dei governanti dell’antico Egitto che implicava l'ammasso del 20% dei raccolti ogni anno, per sette anni, per creare delle scorte in caso di stagioni cattive, e scongiurare le carestie.

Ora, non sappiamo se già nel XVI-XV secolo a.C., quando si colloca la vicenda di Giuseppe, gli antichi egizi usassero modificare l’atmosfera nei granai per conservare più a lungo le derrate alimentari ma ci sono prove che suggeriscono che nel secondo secolo a.C. tecniche simili erano impiegate consapevolmente.

 

PER SAPERNE DI PIU' SUGLI ORS ENTRA IN CONTATTO CON I NOSTRI TECNICIPer quanto riguarda lo stoccaggio dei cereali - silos, granai o persino fienili - il fattore più importante preso in considerazione dagli archeologi è proprio il controllo dell'atmosfera. 

La tecnologia di stoccaggio anaerobica, in particolare, si basa sull'impermeabilità dei granai.

I siti di stoccaggio con atmosfera ipossica sono tipicamente silos scavati nel terreno, fosse con pareti rivestite per evitare la penetrazione di animali e oggetti dall’esterno e aperture ben sigillate per impedire a qualunque cosa, aria inclusa, di uscire. 

Poiché il processo di maturazione del grano stoccato da questi antichi coltivatori consumava l’ossigeno e produceva CO2, impermeabilizzando opportunamente quello che oggi chiameremmo involucro edilizio, l’atmosfera all'interno del granaio si modificava. 

Questo non solo aiutava a preservare i cereali, ma era anche letale per insetti e roditori che finivano soffocati (quale minaccia fossero i roditori per quel popolo lo testimonia il fatto che il loro pantheon era popolato di divinità feline).

L'uso di atmosfere modificata aveva due importanti ripercussioni. In primo luogo, una volta aperto un silo con atmosfera ridotta, l'aria avrebbe avuto un ricambio e il grano avrebbe iniziato a deteriorarsi. Questo significava che una volta aperto un silo, l'intero contenuto doveva essere estratto e quindi distribuito o elaborato.

In secondo luogo, un’atmosfera a scarso contenuto di ossigeno proteggeva di per sé il grano da roditori e insetti; il fatto che non ci fossero, nelle strutture in cui si ritiene si creassero delle atmosfere ipossiche, altre misure di protezione contro tali minacce – presenti invece nelle strutture di stoccaggio a breve termine, oltre a diversi altri aspetti tra cui sistemi di ventilazione dei cereali stoccati – testimonia che era chiaro, a chi progettava questi depositi, che la tenuta ermetica era direttamente connessa alla capacità di garantire una lunga conservazione.

Quegli uomini usavano, quindi, l’atmosfera ridotta in maniera consapevole.

 

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Forse, la prima documentazione scritta di una forma di atmosfera modificata può essere trovata nel Rerum rusticarum libri tres, i Tre libri sull'agricoltura di Marco Terenzio Varrone, intellettuale e politico coinvolto nelle vicende che hanno portato alla fine della Res Publica Romana ed al sorgere dell’Impero.

Al LXIII° paragrafo del libro I° della sua opera, Varrone scrisse:

Sub terra qui habent frumentum in iis quos vocant sirus, quod cum periculo introitur recenti apertione, ita ut quibusdam sit interclusa anima, aliquanto post promere, quam aperueris, oportet.

Avvertendo il lettore di quanto sia pericoloso entrare nei silos, appena aperti, a causa dell'aria confinata.

 

Un altro probabile esempio dell'uso di atmosfere modificate per preservare i prodotti, in questo caso il frutto del lychee, è registrata in un poema cinese del VIII° secolo d.C. in cui Du Mu, l’autore, descrive come Tang Xuanzong (685-762 d.C.), imperatore della dinastia Tang, per compiacere Yang Yuhuan, la sua concubina preferita, abbia inviato dei messi a cogliere del litchi.

L'Imperatore si affidò a corrieri, con squadre di cavalli veloci, per consegnare i frutti freschi a centinaia di miglia, dal sud della Cina alla corte imperiale a Chang'an, la moderna Xi'an.

Il servizio postale nazionale cinese era stato creato nel primo impero cinese, quasi mille anni prima delle vicende che raccontiamo, sotto la dinastia Qin (221-207 a.C.), per rafforzare il controllo imperiale in tutto l'enorme paese e quel sistema non solo era ancora efficiente all’epoca di Xuanzong, ma questi lo potenziò istituendo 1.639 stazioni postali a livello nazionale, di cui 260 stazioni marittime, 1.297 terrestri e 86 che servivano entrambe le funzioni. La velocità del servizio postale era legalmente regolamentata; a seconda dell'urgenza della posta, la velocità dei viaggiatori postali variava da 80, 130 fino a 225 chilometri, al giorno. 

Per quanto sia romantico pensarla come Du Mu, il motivo di tanto sforzo dovette essere il ben più prosaico e strategico controllo di un enorme impero, piuttosto che il passionale intento di far sorridere Yang Yuhuan, sebbene qualcosa di vero forse c’è visto che un tipo di litchi è noto come "Concubine sorridenti".

Eppure, non importa quanto fosse rapido il servizio postale, ci sarebbero voluti comunque giorni per consegnare quel delicato frutto, estremamente deteriorabile. Sembra siano state prese diverse misure per mantenerne la freschezza e tra queste vi era quella di staccare ramoscelli, con foglie e frutti attaccati, e riporli in contenitori ricavati dai fusti cavi del bamboo, sigillati con cera.

Ormai anche il lettore meno avvezzo alla tecnologia dell’atmosfera modificata avrà capito il meccanismo: il litchi maturando all’interno del contenitore stagno convertiva l’ossigeno e quando questo finiva, con lui finivano anche le reazioni ossidative, la proliferazione di eventuali insetti, batteri, etc.

 

Più tardi in Gran Bretagna le colture erano immagazzinate in pozzi, pratica che, limitando la ventilazione, allungava la conservazione.

È stato Jacques Etienne Bérard, un naturalista , chimico e fisico francese, a dare una prima spiegazione scientifica del fenomeno. Nato a Montpellier – figlio di Étienne Bérard, anch’egli scienziato e produttore di composti chimici – grazie alle entrature del padre divenne, nel 1807, assistente di laboratorio di Claude Louis Berthollet1.
 

Da quel laboratorio decollò la carriera di scienziato di Jacques Etienne Bérard, che lo portò ad essere eletto, dodici anni dopo, all'Académie des Sciences di Francia, la stessa che gli conferì un premio per il suo studio pionieristico sulla maturazione dei frutti nel 1821, dopo aver testato diverse atmosfere per la conservazione della frutta. I suoi studi hanno rivelato, per la prima volta in maniera scientifica, non solo che i frutti raccolti utilizzavano ossigeno e producevano anidride carbonica, ma che se tenuti in un'atmosfera priva di ossigeno non maturavano.

Bérard riuscì a conservare pesche, prugne e albicocche fino a 1 mese e mele e pere per circa 3 mesi a temperatura ambiente. Inoltre, ha scoperto che i frutti ricominciavano a maturare dopo essere stati riportati all'aria, a condizione che non fossero stati tenuti troppo a lungo senza ossigeno.

Suggerì quindi di conservare gli alimenti in contenitori stagni, assieme ad una pasta composta da acqua, calce e solfato ferroso, che avrebbe assorbito l’ossigeno e fissato l’anidride carbonica.

 

Le prime applicazioni dell’atmosfera modificata e controllata, sempre per la conservazione della frutta, ebbero luogo a Northem, Ohio, ad opera di Benjamin Nyce intorno al 1865. Nyce costruì un magazzino ermetico, della capacità di circa 140 metri cubi, raffreddato con ghiaccio per mantenere una temperatura di conservazione appena al di sopra degli 0°C. Riuscì così a conservare mele per periodi fino a 9 mesi dopo il raccolto, ottenendo diversi brevetti sulla sua tecnologia di conservazione.

Nel magazzino di Nyce, il livello di anidride carbonica era così alto (o il livello di ossigeno, così basso) che una fiamma non era in grado di bruciare.

La San Jose Fruit Company in California condusse test nel 1890, con spedizioni di vagoni ferroviari non refrigerati, sigillati e gasati con anidride carbonica, durante la spedizione di prodotti dalla California a Chicago.

Tra gli inizi del ‘900 e gli anni ’60 dello stesso secolo diversi studi approfondirono la conoscenza dell'effetto dell'anidride carbonica e altri gas come inibitori dell'azione dell'etilene, della sintesi proteica e dell'attività enzimatica nel frutto, in altre parole della maturazione.

 

Un contributo fondamentale si dovette a Franklin Kidd, figlio di un quacchero di discendenza irlandese, il quale da autodidatta aveva raggiunto la fama con tre opere filosofiche tradotte in molte lingue.

Franklin avrebbe dovuto seguire le orme paterne e proseguire gli studi classici a Oxford ma, mentre era ancora a scuola, iniziò a compiere esperimenti con i semi. Suo padre gli fornì bombole di ossigeno e anidride carbonica, e Kidd le usò per studiare gli effetti di questi gas sulla germinazione delle sementi.

Nel 1910 entrò nel St John's College di Cambridge, per studiare i classici, ma, come si dice, il primo amore non si scorda mai, e tornò ben presto a studiare botanica, zoologia e chimica, conducendo ulteriori ricerche sugli effetti dell'ossigeno e dell'anidride carbonica sulla dormienza dei semi, impressionando positivamente i professori per la sua abilità e per l’originalità dei risultati che stava ottenendo.

I suoi progressi nella ricerca furono parzialmente interrotti dalla guerra del 1914-18; Kidd era un obiettore di coscienza, probabilmente a causa della sua educazione quacchera, ma, pur senza imbracciare un fucile, non fece mancare il suo impegno verso la Corona, in un modo decisamente più consono alle sue abilità e, permettetemi di aggiungere, meno cruento e più meritorio.

Durante la Grande Guerra fu costituito il Comitato Alimentare della Royal Society per consigliare il Ministero dell'Alimentazione. Il suo presidente, William B. Hardy, fu inorridito nel sapere del grossolano spreco di alimenti deperibili – accettato dagli importatori come inevitabile – fino a quando, durante il blocco navale operato dai sottomarini tedeschi, le forniture alimentari raggiunsero livelli pericolosamente bassi. Per ovviare a questo problema nel 1917, fu istituito il Food Investigation Board, con Hardy come primo direttore, ma la guerra aveva già subito una svolta e finì prima che nel 1922 venisse costituita a Cambridge, la Low Temperature Research Station, dove verranno raggiunti fondamentali risultati nella ricerca sull’atmosfera modificata. Nel frattempo lo spazio per il personale fu trovato nei laboratori esistenti dell'Università di Cambridge.

Hardy raccolse ricercatori di diverse discipline e li riunì sotto lo stesso tetto a lavorare gomito a gomito su un problema specifico. Si rivolse a F. F. Blackman per farsi segnalare le persone adatte; Blackman suggerì Kidd, il quale fu uno dei primi scienziati ad essere invitato ad unirsi allo staff dell’F.I.B. e Kidd non dovette faticare a convincere Blackman e Hardy che il campo di studio giustificava anche la nomina di Cyril West2.

Kidd e West firmarono la loro prima pubblicazione congiunta nel 1917, iniziando una lunga collaborazione, che ha portato all'applicazione commerciale dello stoccaggio in atmosfera controllata.

Nel 1920 la coppia di ricercatori fu in grado di creare una fattoria di prova a Histon nel Cambridgeshire per testare i risultati di laboratorio su piccola scala.

Il primo magazzino commerciale di mele ad impiegare la tecnica di stoccaggio in atmosfera modificata in Inghilterra fu costruito nel 1929 vicino a Canterbury, nella contea di Kent.

Da queste ricerche derivò una più profonda conoscenza dei meccanismi che regolano la maturazione ed un’evoluzione della tecnologia per il controllo dell’atmosfera, che avrà importanti ripercussioni nelle applicazioni antincendio.

La conservazione a diverse concentrazioni di gas può avere effetti sulla durata delle derrate ma anche sul sapore delle stesse3.

L’atmosfera ridotta – in contenuto di ossigeno – stava per lasciare il passo all’atmosfera controllata.

 
Per la modifica dell’atmosfera sono stati impiegati diversi sistemi: calce, idrossido di sodio e di potassio, bruciatori a propano. Non è da queste tecnologie di controllo dell’atmosfera che sono derivate, però, le applicazioni a fini di prevenzione incendi; ci sono stati, infatti, numerosi casi di esplosioni causate dall'uso dei generatori a base di combustibili fossili oltre a casi di avvelenamenti da monossido di carbonio.

Intorno tra gli anni ‘70 ed ’80 del secolo scorso, sono stati utilizzati scrubber ai carboni attivi e, poi, il cracking dell'ammoniaca, un processo noto come «Oxy- drain», che produceva azoto e idrogeno. Il processo convertiva l'ammoniaca in azoto e idrogeno ad alta temperatura; l'idrogeno veniva quindi convertito in vapore acqueo. L'azoto prodotto era invece utilizzato per saturare la miscela d’aria in un ambiente a tenuta stagna, abbassandone il contenuto di ossigeno.

Con l’impiego dell’azoto si gettano le premesse per applicazioni antincendio.

 

azoto e carboni attivi. un’altra lunga storia

Vale la pena riavvolgere il nastro della storia e ripercorrere le tappe della scoperta dell’azoto e degli altri gas, protagonisti della nostra vicenda. Come vedremo, infatti, la prevenzione degli incendi attraverso l’atmosfera ridotta non è, infatti, una sola questione di sottrazione del comburente dalla miscela gassosa.

 
Joseph Black, fisico e chimico scozzese, cui dobbiamo la descrizione del calore latente e del calore specifico nonché la scoperta del magnesio (e di cui riparleremo nell’articolo di questa collana, il prossimo aprile, quando ripercorreremo la storia degli impianti di spegnimento a gas inerte), stava studiando proprio le proprietà di uno di questi gas, l’anidride carbonica, scoperta Jean Baptiste van Helmont nel 1638, e che Black ancora chiamava “aria fissa” (a causa del fatto che l'anidride carbonica a basse temperature può diventare "fissa", cioè solidificare), quando scoprì che una candela immersa in questo gas non bruciava.

Black affidò il problema al suo studente di allora, Daniel Rutherford.

Questi consumò l’ossigeno contenuto in differenti contenitori sigillati; applicò diversi metodi: chiuse un topolino in uno spazio a tenuta stagna finché non morì asfissiato, accese una candela in un altro contenitore finché non si spense, bruciò del fosforo in maniera simile e per finire fece passare le atmosfere così ridotte attraverso una miscela di idrossido di calcio per rimuovere tutta la CO2 (dagli studi di Black,  Rutherford sapeva che l’atmosfera contenuta nei suoi campioni era piena di "aria fissa").

Testò quest'aria così filtrata con metodi analoghi ai precedenti, tentando di bruciare gli oggetti immersi in quel gas e facendovi respirare dei topi. Entrambi gli esperimenti hanno dimostrato che questa miscela non poteva supportare la combustione o la vita e – avendo rimosso l’anidride carbonica – doveva essere qualcosa di nuovo. Rutherford decise di denominarla "aria nociva" o "aria deflogistica". Rutherford e Black erano infatti sostenitori della teoria del flogisto, la supposta sostanza che sarebbe stata alla base della combustione. Non sapeva che il flogisto non esisteva né che aver appena isolato, per la prima volta, l’azoto.

Fu Lavoisier, il padre della chimica moderna, a riconoscere che l'aria è una miscela di un gas attivo, l’ossigeno, che mantiene la combustione e la respirazione4, e di un gas inattivo, l’azoto, dal greco ζωή, zoè, "vita", preceduto dall'alfa privativo, quindi "privo di vita".

 
 
Se il diciottesimo secolo vide la scoperta dell’elemento, il diciannovesimo secolo portò al controllo del ciclo dell'azoto e dei suoi composti.

Queste scoperte furono fondamentali sia per il progresso, sia per mettere nelle mani dell’uomo mezzi potenti per uccidere i propri simili ed alterare l’ecosistema in maniera letteralmente esplosiva.

Il controllo sul ciclo dell’azoto ha consentito infatti di sfamare una  popolazione mondiale in rapida crescita ed estrarre, con gli esplosivi derivati dai nitrati, composti dell’azoto, risorse minerarie di cui si è cibato lo sviluppo industriale ma gli impatti negativi della “cascata di azoto” sono numerosi: dalle piogge acide, all'acidificazione del suolo, al deperimento forestale, all'eutrofizzazione, ai cambiamenti climatici e all'esaurimento dell'ozono stratosferico. A questo va aggiunto l’impiego bellico dei composti dell’azoto.

Tante sono le cesure storiche che sono state proposte per essere scelte come l’inizio dell'antropocene; tra queste, accanto alla detonazione del prima bomba atomica, il controllo del ciclo dell’azoto potrebbe essere meritatamente un candidato per questo ruolo.

 
Se c’è poi un’altra cosa che la storia dell’azoto e quella della bomba atomica hanno in comune, quella è Charles W. Skarstrom; ma andiamo con ordine.

L’azoto, abbiamo visto, è presente in molti composti ma allo scopo di stoccaggio in atmosfera controllata è necessario maneggiarlo nel suo stato puro e gassoso.

In alcuni casi veniva usato l'azoto liquido stoccato in serbatoi e convertito in gas. Ma perché liquefare e conservare un gas come questo, quando ce n’è così tanto, già nello stato fisico desiderato, nell’aria che respiriamo?

Il Dr. Charles W. Skarstrom, che aveva lavorato al Progetto Manhattan durante la seconda guerra mondiale, nel 1956 stava sviluppando un analizzatore automatico di gas per il suo laboratorio alla raffineria Esso di Bayway, New Jersey  quando l'essiccatore d'aria dell'impianto si guastò.

Questo evento spinse Skarstrom a ricercare una via diversa per essiccare l’aria e la trovò nel processo di adsorbimento con i carboni attivi.

 
Le proprietà depuranti del carbone erano conosciute già dall'antichità. Lo so, eravamo arrivati quasi ai favolosi anni sessanta; prometto che sarà una digressione brevissima, torniamo indietro solo di poco meno di…seimila anni.

Il primo uso documentato del carbone attivo risale al 3750 a.C., quando fu utilizzato per la prima volta dagli egiziani per la fusione dei minerali per creare il bronzo. Nel 1500 a.C. gli egizi lo usavano anche per disturbi intestinali, per assorbire odori sgradevoli e per scrivere su papiro. Nel 400 a.C. gli antichi indù e fenici scoprirono le proprietà antisettiche del carbone attivo e iniziarono a usarlo per purificare la loro acqua. Una pratica ben nota per qualsiasi lungo viaggio in mare era quella di immagazzinare l'acqua in barili che erano stati carbonizzati. Nel IV secolo a.C. e poi, molto più tardi, nel 50 d.C., ad aprire la strada all'uso del carbone attivo in medicina furono Ippocrate prima e Plinio poi, che iniziarono a usarlo per trattare molti disturbi diversi come l'epilessia, la clorosi e le vertigini.

Proprio a Plinio Il Vecchio forse si deve la prima descrizione del carbone attivo. Infatti, le libro XXXVI della sua Naturalis Historia, scrive:

quando ipse carbo vires habere incipit restinctus atque interisse creditus maioris fit virtutis. inmensa, inproba rerum naturae portio et in qua dubium sit, plura absumat an pariat.

Ovvero, Plinio osservò che il carbone, quando è passato attraverso il fuoco ed è stato spento, pur sembrando apparentemente inerte, comincia ad assumere delle proprietà particolari.

Ma si dovette attendere la fine del ‘700 quando Carl Wilhelm Scheele (che aveva già isolato per primo l’ossigeno) e Felice Fontana, con le loro osservazioni sull'adsorbimento di gas da parte del carbone vegetale e dell’ argilla offrirono una prima descrizione scientifica del "carbone attivo".

 
Gli anni ’30 del ‘900 videro dedicarsi allo studio dell’adsorbimento personaggi del calibro di Langmuir, Premio Nobel per la chimica proprio per i suoi contributi alla chimica delle superfici, nel 1932.

Nel ’38, Stephen Brunauer e Paul Emmett5, hanno definito con Edward Teller6, la teoria BET  che spiega l' adsorbimento fisico delle molecole di gas su una superficie solida. Brunauer e Teller, inoltre, con W. Edwards Deming7, e la moglie Lola Elizabeth Shupe Deming svilupperanno una classificazione delle isoterme di adsorbimento (detta "classificazione BDDT").

L’adsorbimento dei gas è un processo esotermico e una prerogativa essenziale perché avvenga è l'elevata porosità del materiale adsorbente.  Skarstrom con l'assistenza di Virgil Mannion e Robert C. Axt, ingegneri del sistema di adsorbimento,  svilupparono un processo che portò al brevetto US2944627A relativo ad un metodo e un'apparecchiatura per il frazionamento di miscele gassose. L'invenzione riguardava, più in particolare, un metodo per rimuovere uno o più componenti chiave da una miscela gassosa. L’adattamento specifico di Skarstrom riguarda l'essiccazione dell'aria per rimozione del vapore acqueo ma nello stesso brevetto si specifica come l’apparato descritto possa rimuovere l'azoto da un flusso d’aria atmosferica per aumentare la "concentrazione" di ossigeno nel flusso o viceversa. 

L'essiccante – poteva essere un minerale microporoso che agiva appunto per adsorbimento, o un reagente chimico – è posto all'interno di due camere e l'aria compressa viene convogliata in una camera mentre l'altra viene rigenerata. 

A metà degli anni ’80 questa tecnologia, dopo almeno un decennio di applicazione nella separazione industriale dei gas, approdò al settore della conservazione alimentare in atmosfera controllata.

 
 
Oltre al sistema inventato da Skarstrom, noto come Pressure Swing Adsorption o PSA, un altro processo di produzione di azoto è basato sulla tecnologia a membrana a fibre cave.

I separatori d'aria a membrana in fibra cava si basano sul principio della permeabilità selettiva. Ogni gas ha un tasso di permeazione caratteristico in base alla sua solubilità e diffusività nella membrana. Ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo hanno rapidi tassi di permeazione, mentre l'azoto è relativamente più lento. L'aria viene introdotta a pressione nelle fibre cave, i gas si separano l'uno dall'altro mentre attraversano la lunghezza della fibra, e mentre l'azoto rimane da un lato della barriera della membrana, arricchendo il flusso in uscita, l'ossigeno si concentra nel gas di scarico. Il gradiente di pressione parziale tra l'interno e l'esterno della fibra cava è la forza trainante per la separazione del gas.

Per applicazioni a volumi contenuti, dove c’è la necessità di avere una portata minore, ancor oggi i generatori di azoto, tendono ad utilizzare un sistema a membrane, più semplice costruttivamente, più economico e con minori oneri di manutenzione.

Il sistema PSA, più raffinato, permette un miglior equilibrio e vantaggio economico perché utilizza, a parità di portata, una quantità di energia elettrica minore lavorando a pressioni più basse dove è già molto efficiente. Si utilizza, quindi, quando si hanno impianti più grandi, con portate consistenti (come tipicamente sono le applicazioni antincendio).

Ora ci sono quasi tutti gli ingredienti per realizzare un impianto a riduzione di ossigeno per la prevenzione degli incendi: abbiamo impianti in grado di immettere grandi quantità di azoto in volumetrie importanti per abbassare la concentrazione di comburente nell’aria e un’esperienza sufficiente nella conservazione alimentare ad atmosfera controllata che ha portato a sviluppare tecniche costruttive degli involucri edilizi tali da garantire una ridotta permeabilità ai gas.

Manca però ancora un elemento: un sistema di controllo dei gas per mantenere la miscela, ovunque nel volume protetto, alla concentrazione desiderata.

 

rilevazione dei gas. chiave di volta degli oxygen reduction systems

L'era moderna della rilevazione di gas è iniziata nel 1926-1927 con lo sviluppo del sensore di combustione catalitica da parte del dottor Oliver Johnson, alla Standard Oil Company in California, mentre era impegnato a rilevare miscele combustibili nell'aria per prevenire le esplosioni nei serbatoi di stoccaggio del carburante.

Il principio di funzionamento di un sensore a combustione catalitica si basa sull'ossidazione del gas combustibile a contatto con una superficie di un catalizzatore – tipicamente platino – riscaldata elettricamente.

I gas combustibili hanno una ben determinata temperatura alla quale bruciano, tuttavia, se è presente il giusto catalizzatore, questo valore di temperatura può essere variato consentendo l’ossidazione a temperature notevolmente inferiori.

Il sensore è costituito da più filamenti metallici, uno di riferimento ed altri di rilevazione.

L’ossidazione del gas o del vapore a contatto con la superficie riscaldata provoca un ulteriore innalzamento della temperatura del materiale e, di conseguenza, un corrispondente aumento della resistenza che lo attraversa.

Sugli altri rami vengono posizionate resistenze di valore noto, indispensabili per bilanciare a vuoto il ponte in aria non contaminata, consentendo l’azzeramento dello strumento e rendendo così la misura indipendente dall’influenza della pressione, della temperatura e della umidità atmosferica.

Un anno dopo aver brevettato il sistema, Johnson lasciò l’impiego alla Standard Oil e con il suo socio Phil Williams, fondò a Palo Alto, la Johnson-Williams Instruments, un’azienda che stabilì due primati: fu la prima società ad occuparsi di rilevamento di gas al mondo e la prima azienda di elettronica nella Silicon Valley.

Dopo di ciò, molto sarebbe successo.

 
Nel corso dei successivi 40 anni JW Instruments ha aperto la strada a molti "primati" nell'era moderna del rilevamento di gas, tra cui la creazione di strumenti più piccoli, lo sviluppo di un rilevatore di ossigeno portatile e il primo strumento combinato in grado di rilevare gas e vapori combustibili contemporaneamente all'ossigeno.

Con la riduzione del loro costo e il miglioramento delle prestazioni dei sensori a combustione catalitica, questi sono stati incorporati in una gamma sempre più ampia di sistemi.

Questo genere di sensori vanno tuttavia incontro a una serie di criticità.

Durante l’impiego il sensore viene sottoposto alla presenza di diversi inquinanti che provocano l'alterazione delle proprietà catalitiche del sensore e ne degradano le prestazioni.

Addirittura alcuni gas (peraltro alcuni di quelli impiegati nei sistemi di estinzione) possono inibire temporaneamente il funzionamento del sensore o comprometterne in modo definitivo il funzionamento.

Infine, se il dispositivo si trova esposto a concentrazioni troppo elevate di gas, i filamenti possono raggiungere temperature che ne compromettono la geometria e le proprietà elettriche in modo irreversibile.

Ma c’è un limite ancor più critico per un sistema che ambisca ad ottenere un controllo fine di un’atmosfera confinata; i sensori catalitici sono generalmente poco selettivi a singoli agenti chimici (reagiscono per lo più a categorie di composti).

Era necessario compiere l’ultimo decisivo passo.

 
Abbiamo già vagato molto nella storia alla ricerca delle origini dei sistemi di prevenzione incendio a riduzione di ossigeno e non possiamo concederci un’ulteriore divagazione in quella breve ma intensa della microelettronica; ci concentreremo quindi su una sola ma decisiva pietra miliare di questo “ultimo miglio”.

Grossomodo nello stesso periodo in cui Oliver Johnson stava sviluppando il suo primo sensore, Julius Edgar Lilienfeld, un fisico ed ingegnere elettrico austro-ungarico, emigrato degli Stati Uniti, brevettò nel 1925 il primo transistor ad effetto di campo (FET) ma non pubblicò articoli di ricerca sui suoi dispositivi e il suo lavoro fu ignorato dall'industria.

Nel 1934 il fisico tedesco Oskar Heil brevettò un altro transistor ad effetto di campo.

Né Lilienfeld né Heil  furono in grado di costruire transistor funzionanti.

L' effetto del transistor fu successivamente osservato e spiegato da John Bardeen e Walter Houser Brattain mentre lavoravano sotto William Shockley ai Bell Labs nel 1947.  Il transistor a giunzione era però ancora un dispositivo relativamente ingombrante, difficile da produrre su larga scala, il che lo limitava a una serie di applicazioni specializzate. 

Negli anni '50, i ricercatori avevano in gran parte rinunciato al concetto di FET concentrandosi sulla tecnologia della giunzione bipolare ( BJT ) fino a che nel 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick coprirono accidentalmente la superficie di un wafer di silicio con uno strato di biossido di silicio.

Lo strato di ossido impediva ad alcuni droganti di entrare nel wafer, permettendolo ad altri. Scoprendo l'effetto passivante dell'ossidazione sulla superficie del semiconduttore, Frosch e Derrick, con il loro ulteriore lavoro hanno dimostrato come incidere piccole aperture nello strato di ossido per diffondere droganti in aree selezionate del wafer di silicio. Nel 1957 pubblicarono un documento di ricerca e brevettarono la loro tecnica, nota come mascheratura a diffusione di ossido, riassumendo il loro lavoro.

Questa tecnica è stata decisiva nella fabbricazione di dispositivi MOSFET.

 
Mohamed M. Atalla, ancora una volta ai Bell Labs8, alla fine del 1950 raccolse il lavoro di Frosch sull'ossidazione; il primo dispositivo MOSFET funzionante fu realizzato nel novembre 1959.

Il vantaggio del MOSFET era l’essere relativamente compatto e facile da produrre in serie rispetto al transistor a giunzione planare concorrente.

Lo sviluppo del MOSFET ha portato a una rivoluzione nella tecnologia elettronica, alimentando la crescita tecnologica ed economica della prima industria dei semiconduttori, dalla fine degli anni '60 in poi. 

Il MOSFET è l'elemento di base nella maggior parte delle apparecchiature elettroniche, il transistor più comune nell'elettronica e il dispositivo semiconduttore più utilizzato al mondo.

ll MOSFET è stato il primo transistor veramente compatto che poteva essere miniaturizzato e prodotto in serie per un'ampia gamma di usi,  con la sua alta scalabilità e il basso consumo energetico, rese per la prima volta possibile costruire chip  ad alta densità.

All'inizio degli anni '60, Gordon E. Moore, che all'epoca lavorava come direttore della ricerca e sviluppo presso Fairchild Semiconductor, ha pronosticato, in un contributo al numero del trentacinquesimo anniversario della rivista Electronics, che le caratteristiche elettriche e di scala ideali dei dispositivi MOSFET avrebbero portato a livelli di integrazione in rapido aumento e a una crescita senza precedenti nelle applicazioni elettroniche (pur nota come “legge di Moore” questa relazione inversa tra densità di potenza e densità di area si è interrotta a metà degli anni 2000).

Nel 1974, Robert H. Dennard alla IBM osservando il rapido incremento della tecnologia MOSFET descrisse una relazione tra le dimensioni dei transistori MOS e le loro densità di potenza. Il “ridimensionamento di Dennard”, noto anche come “ridimensionamento MOSFET”, è una legge che afferma, approssimativamente, che man mano che i transistor si riducono, la loro densità di potenza rimane costante, in modo che il consumo di energia rimanga proporzionale all'area.

I MOSFET hanno quindi dimensioni molto inferiori rispetto alla precedente tecnologia del transistor a giunzione bipolare (BJT), una velocità di commutazione più rapida, sono più economici e hanno fasi di lavorazione relativamente semplici, che si traducono in un'elevata resa di produzione. Ciò ha fatto del MOSFET il dispositivo più importante nell'industria elettronica, l'elemento costitutivo della moderna elettronica digitale e forza trainante della rivoluzione dei computer e delle tecnologie abilitate da essa, diventando il dispositivo elettronico più prodotto nella storia.

L' Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti definisce il MOSFET:

un'invenzione rivoluzionaria che ha trasformato la vita e la cultura in tutto il mondo.

L’industria della rilevazione dei gas è stata parte di questa rivoluzione. Ma non bastava l’elettronica. Era necessario un progresso decisivo nella scienza dei materiali. Le ricerche del gruppo di Giorgio Sberveglieri, fondatore del SENSOR Lab presso l’Università di Brescia, e i colleghi Guido Faglia, Silvio Groppelli, Paolo Nelli e Alberto Camanzi nel 1990, hanno portato allo sviluppo dell’anello mancante, ovvero dei nanofili caratterizzati da elevata sensibilità ai gas, che sono diventati il cuore del primo sensore di gas a semiconduttore di ossido di metallo.

Da allora, con lo sviluppo di rilevatori elettronici sono state sviluppate molte tecnologie per rilevare, monitorare la presenza di un'ampia gamma di gas; non solo ma nuovi analizzatori sono diventati in grado di scomporre i segnali dei componenti di una miscela per identificare più gas contemporaneamente. 

 

fine della storia. inizio del futuro

Ormai tutti i componenti erano a disposizione; non si trattava più di capire se era possibile realizzare un sistema per la prevenzione degli incendi basato sulla riduzione di ossigeno ma solo quando questo sarebbe stato realizzato. E finalmente accadde. Era il 1998 quando la tedesca Wagner ha presentato la prima applicazione di questa tecnologia.

Iniziava allora un’altra storia, quella della definizione degli standard per realizzare impianti efficaci nella lotta agli incendi. Infatti, se la tecnologia per controllare l’atmosfera era stata dominata, l’evoluzione dei materiali e delle tecniche di costruzione aveva reso possibile realizzare involucri edilizi con una permeabilità ai gas sufficientemente bassa e la tecnologia per il controllo fine della miscela di gas era ormai in grado di offrire un controllo accurato anche in grandi volumi, rimaneva da esplorare l'efficacia estinguente delle concentrazioni di ossigeno in funzione delle soglie di innesco dei differenti materiali.

I test dei produttori e degli organismi di standardizzazione avrebbero dovuto poi occuparsi della sicurezza degli occupanti, dell’efficacia ed efficienza delle soluzioni impiantistiche, del loro margine di affidabilità, delle precauzioni cui provvedere nel caso di personale presente in ambienti ipossici, descrivendo sistemi e protocolli di sicurezza a regime ed in condizioni di guasto.

Ma questa storia, il cui percorso è iniziato millenni or sono nell’Antico Egitto e nella Cina imperiale, ormai è diventata cronaca di questi anni e qui il nostro racconto si può concludere.

 
 

Note

1 Berthollet, insieme ad Antoine Lavoisier e altri, ha ideato la nomenclatura chimica che serve come base del moderno sistema di denominazione dei composti chimici.

2 Era stato infatti lo stesso Blackman, assieme al fratello, anch’egli professore (ma all'Imperial College di Londra), a dare il via alla collaborazione tra West, suo valente ricercatore, e Kidd, allievo del fratello, nel 1915, quando Cyril West, da tempo impegnato sul problema della germinazione delle sementi, era rientrato invalido dal fronte.

3 J.R. Magness e H.C. Diehl, nel 1924, descrissero una relazione tra la maturazione della mela e la concentrazione dell’anidride carbonica, in quanto un'atmosfera contenente il 5% di CO2, avevano notato, rallentava il tasso di maturazione, con un effetto maggiore a concentrazioni più elevate, ma al 20% il sapore veniva compromesso.

4 il gas era stato isolato da Carl Wilhelm Scheele qualche anno prima e poco dopo nuovamente da Joseph Priestley

5 I due ricercatori, sulla base delle lor ricerche sulla chimica delle superfici, hanno sviluppato, nell’ambito del progetto Manhattan,  il metodo per separare l'U-235 dall'U-238.

6 meno di quindici anni dopo, Teller guiderà il gruppo che realizza la prima bomba H.

7 W. Edwards Deming è stato il padre dei sistemi di gestione per la qualità

8 Ai ricercatori che lavorano presso i Bell Labs sono accreditati lo sviluppo della radioastronomia, del transistor, del laser, della cella fotovoltaica, del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), della teoria dell'informazione, del sistema operativo Unix e dei linguaggi di programmazione B, C, C ++ e S. In questa fucina di innovazione nove premi Nobel hanno completato i lavori che sono valsi loro i premi.

 
 

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note sull'autore

Gianfranco Rocchi è curatore del digital content marketing di Mozzanica&Mozzanica Srl; con una formazione accademica in storia economica, ha una esperienza di oltre quindici anni nella consulenza aziendale relativamente ai sistemi di gestione aziendale e della salute e sicurezza sul lavoro. È stato inoltre autore di contenuti per la televisione ed il podcasting.

 

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