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Collana Le Origini - L'EVOLUZIONE DELLA RIVELAZIONE ANTINCENDIO

Autore Gianfranco Rocchi | Chief Communication Officer | 15 Maggio 2021 |

* in copertina: tratto dal calendario Mozzanica 2021 – rappresentazione del «penitente» intento ad innescare il grisù, 1869

"l nome di Silfax fu una rivelazione per il vecchio Overman. Era quello dell'ultimo «penitente» della fossa Dochart. Un  tempo,  prima  dell'invenzione  della  lampada  di  sicurezza, Simon  Ford  aveva  conosciuto  quest'uomo  truce,  che, a  rischio  della vita,  andava  ogni  giorno  a  provocare  esplosioni  parziali  di  gas. Aveva    visto    questa    creatura    strana    vagare    per    la    miniera accompagnata   da   un   enorme harfang, una   specie   di   civetta mostruosa,  che  l'aiutava  nel  suo  pericoloso  mestiere  portando  lo stoppino  acceso  dove  la  mano  di  Silfax  non  poteva  arrivare.  [...] Era una specie di selvaggio, che non parlava con nessuno, e si diceva che  non  temesse  né  l'acqua  né  il  fuoco!  Per  puro  capriccio  aveva scelto   il   mestiere   di   penitente,   che   pochi   amavano,   e   questa pericolosa   professione   aveva   turbato   le   sue   idee.   La   gente   lo giudicava  cattivo,  ma  forse  era  soltanto  pazzo.  Aveva  una  forza prodigiosa, e conosceva la miniera meglio di chiunque altro."

Jules Verne,

Les Indes-Noires (1877)

Verso la metà del XVI secolo le forniture di legno cominciavano a diminuire in Gran Bretagna e l'uso del carbone come combustibile domestico si espanse rapidamente. Nel 1575, Sir George Bruce di Carnock di Culross, in Scozia, aprì la prima miniera di carbone che si spingeva addirittura sotto il fondale marino del Firth of Forth. Quando la rivoluzione industriale iniziò a divorare costantemente tonnellate di carbone nei motori a vapore, nei forni, etc. il carbone di legna o quello estratto da miniere relativamente superficiali non bastò più. Col crescere dalla domanda, i pozzi diventavano sempre più profondi.

Il carbone era così abbondante in Gran Bretagna che l'offerta poteva essere aumentata per soddisfare la domanda in rapida crescita. Nel 1700 la produzione annua di carbone era di poco inferiore ai 3 milioni di tonnellate; ottant’anni dopo era raddoppiata, raggiungendo una quantità pari a quella che sarebbe stata, circa, la produzione di una settimana e mezza nel XX secolo. I minatori avevano iniziato a formare dei sindacati e combattere per migliorare delle condizioni di lavoro a dir poco bestiali. Oltre ai rischi di crollo, all'ambiente insalubre e ai ritmi e carichi di lavoro massacranti, i minatori dovevano fare i conti con la minaccia delle miscele di gas tossiche, infiammabili ed esplosive. All'inizio venivano bruciati dei fuochi nella parte inferiore dei pozzi di ventilazione per creare correnti convettive e far circolare l'aria, ma si dovette presto sostituirli con ventilatori azionati da motori a vapore.

 

la minaccia silenziosa

La maggior parte delle esplosioni in miniera erano causate dal firedamp o grisù, nomi generici dati a miscele di gas infiammabili, inodore e incolore, costituite prevalentemente da metano e in quantità variabili azoto, anidride carbonica ed etano oltre a elio, neon e idrogeno in percentuali molto inferiori. Essendo più leggeri dell'aria, questi gas tendono a raccogliersi in sacche isolate nelle parti alte delle gallerie. Combinato in varie proporzioni con l'aria (dal 5 al 14% circa) il grisù dà luogo ad una miscela molto tossica, infiammabile fra 2% e 5,3% rispetto alla massa dell’aria ed altamente esplosiva fra 5,3% e 14%.

Con una punta d'esplosività a 9% di concentrazione, torna ad essere infiammabile sopra il 15% e pur non esplodendo più, diventa mortale per asfissia1. Oltre al firedamp, altri tipi di miscele pericolose includono blackdamp (miscela non traspirante di anidride carbonica, vapore acqueo e altri gas), whitedamp (monossido di carbonio e altri gas prodotti dalla combustione),  stinkdamp (acido solfidrico), con il suo caratteristico odore di "uova marce".

Un altro grave pericolo era quello derivante dall'afterdamp, una miscela tossica di gas lasciata a seguito di un'esplosione delle miscele precedenti, che a sua volta poteva avviare un'esplosione molto più grande di polvere di carbone. L'afterdamp è costituito da anidride carbonica, monossido di carbonio e azoto. Può essere presente anche acido solfidrico. Tuttavia, è in genere l'alto contenuto di monossido di carbonio che uccide, privando le vittime di ossigeno, combinandosi preferenzialmente con l'emoglobina nel sangue.

Come se tutto questo non bastasse, le scintille prodotte quando il carbone contaminato con piriti veniva colpito con strumenti di metallo potevano innescare la polvere di carbone nell'aria, anche in assenza di altre miscele di gas. Era quindi necessario trovare un modo per rilevare questi gas.

 

una luce di speranza

I primi metodi di rilevamento del gas erano i minatori stessi. Tra il turno in uscita e quello montante, uno sventurato - perchè altri termini non trovo per definire chi, la miseria e lo sfruttamento dell'uomo sull'uomo, costringeva a una tale mansione - si copriva le spalle e la testa con una coperta bagnata mentre trasportava, con le braccia tese, un lungo stoppino fiammeggiante. Percorrendo, carponi, il pozzo della miniera, se e quando incontrava una sacca di gas metano, l'incendiava con lo stoppino. Se la sacca del gas era relativamente ridotta, la coperta bagnata proteggeva il firedamp man, come veniva chiamato oltremanica, o, sulla sponda francese, il "cannonier" o "pénitant" (per via della posizione prona e della coperta con cappuccio che lo proteggeva e lo faceva somigliare ad un penitente), altrimenti il suo sacrificio avrebbe salvato i compagni.

Un santo laico a cui questi penitenti avrebbero potuto rivolgere le loro preci era sicuramente Sir Humphry Davy, un chimico che seppur noto per aver identificato e isolato, tramite l'elettricità, una serie di elementi chimici, inventando l’elettrochimica,  è forse rimasto più celebre e probabilmente più benemerito all’umanità, in special modo a quella disperata porzione che lavora nelle miniere, per aver inventato la lampada che da lui prende il nome. L'idea della lampada di sicurezza era già stata sviluppata da William Reid Clanny  – il quale aveva concepito una lampada chiusa in un’ampolla alimentata da un flusso d’aria che veniva preventivamente fatto gorgogliare attraverso dell’acqua, per evitare che la fiamma innescasse esplosioni di metano. Al problema si era dedicato anche il celebre chimico Smithson Tennant e fu forse sulla base delle sue ricerche che poggiarono le innovazioni successive. Il reverendo Dr Robert Gray di Bishopwearmouth a Sunderland, fondatore della Society for Preventing Accidents in Coalmines, aveva scritto a Davy chiedendogli di affrontare il problema. Davy fece esperimenti con una garza di ottone, determinando la dimensione massima degli interstizi e lo spessore ottimale del filo per evitare che una fiamma passasse attraverso la garza metallica e così impedire che il metano che bruciava all'interno della lampada si disperdesse nell'atmosfera. Contemporaneamente l'allora ancora sconosciuto George Stephenson  – il futuro "padre delle ferrovie" – impiegando una lastra metallica anziché una rete – sviluppò indipendentemente una soluzione analoga, la cosiddetta lampada Geordie. Qui la fiamma era racchiusa da un vetro; l'accesso dell'aria alla fiamma era attraverso tubi sufficientemente stretti. Le correnti d’aria che si formavano e la variazione di velocità dovuta all’effetto Venturi impedivano alla fiamma di risalire e ai gas in uscita di trascinare ossigeno sufficiente a innescare l'atmosfera circostante.

Il design di Davy offriva maggior protezione ma dava molta meno luce e la maglia metallica si deteriorava rapidamente nelle condizioni di umidità della maggior parte dei pozzi. Le prime lampade, poi, erano fragili e facilmente danneggiabili; alla garza di ferro della lampada Davy bastava perdere solo un filo per diventare pericolosa2. Tra i due scoppiò una controversia sull’attribuzione della paternità ma va detto che Davy, al quale fu riconosciuto il primato, si rifiutò di brevettare la lampada e per la sua invenzione fu insignito della medaglia Rumford nel 1816.

La lampada non era solo in grado di produrre luce. L'altezza della fiamma poteva essere, infatti, utilizzata per stimare la concentrazione del gas nell'atmosfera.

All'esterno della fiamma c'era un pezzo di vetro, lungo il quale correvano orizzontalmente tre incisioni. I minatori partivano, mentre si trovavano in un ambiente con aria fresca, con la fiamma sulla linea centrale. Se,  una volta entrati nei pozzi e nelle gallerie, notavano che la fiamma si stava avvicinando alla linea di fondo, sapevano di trovarsi in un ambiente carente di ossigeno. Al contrario, se i minatori notavano che la fiamma si alzava fino alla linea superiore, sapevano che l'atmosfera veniva alimentata dalla corrente di metano o si trovavano in un ambiente arricchito di ossigeno. Sebbene rilevatori di gas elettronici siano ora ampiamente impiegati in tutte le miniere, questo metodo è ancora ampiamente utilizzato per la sua facilità e semplicità di funzionamento3; i rilevatori di gas elettronici, infatti, si basano su un chip catalitico che può essere avvelenato dalle impurità atmosferiche.

Le tecniche di rilevazione videro però di lì a pochi anni una curiosa innovazione. Anche in questo caso il merito fu di uno scienziato inglese.

 

canary box

John Scott Haldane era un medico scozzese e fisiologo famoso per le intrepide sperimentazioni su sé stesso e sul figlio4 che l'hanno condotto a molte importanti scoperte circa il corpo umano e la natura dei gas. In quanto uno dei massimi esperti mondiali nel settore, quando i tedeschi usarono il gas velenoso nella prima guerra mondiale fu inviato, assieme ad un collega, al fronte per tentare di identificare i gas usati.

Qui i due hanno riconosciuto la natura del gas - il cloro - dal modo in cui questo aveva scolorito i bottoni di ottone sulle uniformi dei soldati morti. Tornato al suo laboratorio di casa, Haldane iniziò a cercare una rapida contromisura5 sviluppando i respiratori a velo nero: fondamentalmente tamponi di cotone avvolti in una garza imbevuta di una soluzione di tiosolfato di sodio, che neutralizzava gli effetti delle basse concentrazioni del cloro gassoso. La maschera, trattata in una soluzione di iposolfato di sodio, carbonato di sodio, glicerina e acqua, tratteneva un'umidità sufficiente in modo che non fosse necessario immergerla in una soluzione prima dell'uso, a condizione che fosse conservata nella sua custodia impermeabile appositamente costruita. Il velo poteva essere tirato a coprire gli occhi, fornendo una certa protezione contro gli agenti lacrimogeni, tuttavia, la maschera stessa forniva ancora solo una protezione limitata contro il gas di cloro, inoltre era di costruzione fragile, richiedeva un addestramento per usarla in modo efficace e in gran parte immobilizzava chi la indossava per il timore che la maschera si allentasse. Ma questo forse non era il suo limite peggiore: usandole nella nuvola di gas, dopo un paio di minuti si intasavano al punto che non si riusciva a respirare comunque. Il respiratore Black Veil fu presto sostituito dal British Smoke Hood, un cappuccio in tela sopra la testa trattato con sostanze chimiche che assorbono il cloro, inventato da Cluny MacPherson6. Haldane anche dopo che la sua proposta fu abbandonata continuò ad aiutare lo sforzo bellico con lo sviluppo di respiratori a scatola molto più efficaci e utilizzati durante il resto della guerra ed il trattamento con la tenda a ossigeno, da lui inventata, per curare le vittime degli attacchi chimici7. Nel 1907 Haldane realizzò una camera di decompressione per contribuire a rendere più sicuri i subacquei nelle immersioni in acque profonde e produsse le prime tabelle di decompressione dopo estesi esperimenti con animali. Era anche un'autorità sugli effetti delle malattie polmonari, come la silicosi causata dall'inalazione di polvere di silice.  Haldane era, insomma, uno scienziato di fama  internazionale in materia di respirazione e scoprì l'effetto che da lui prende il nome, ovvero la proprietà dell'emoglobina descritta per la prima volta dallo stesso Haldane, di trasportare quantità aumentate di anidride carbonica nello stato deossigenato rispetto allo stato ossigenato. Questa scoperta lo condusse a far progredire la sicurezza dei minatori.

 

Haldane ha visitato le scene di molti disastri minerari e ne ha indagato le cause8. Durante le sue ricerche ha studiato il principio di azione di molti gas diversi, in particolare i gas tossici che uccidevano la maggior parte dei minatori dopo le esplosioni. Fu lui infatti a classificare l'afterdamp, il blackdamp ed il whitedamp.

In particolare, ha identificato il monossido di carbonio come il costituente letale dell'afterdamp, dopo aver esaminato molti corpi di minatori uccisi in esplosioni di pozzi. La loro pelle era di colore rosa ciliegia a causa della carbossiemoglobina, il composto stabile formato nel sangue per reazione con il gas. Come risultato della sua ricerca, è stato in grado di progettare respiratori per i soccorritori. Ha testato l'effetto del monossido di carbonio sul proprio corpo in una camera chiusa, descrivendo i risultati del suo lento avvelenamento.

Alla fine del 1890, fu proprio Haldane ad introdurre l'uso di piccoli animali, specialmente i canarini9, come sentinelle per aiutare i minatori per rilevare livelli pericolosi di monossido di carbonio nel sottosuolo.

I canarini, come altri uccelli, sono buoni rilevatori precoci di monossido di carbonio. Poiché hanno bisogno di quantità molto alte di ossigeno per volare anche a grande altitudine10, la loro anatomia consente loro di estrarre ossigeno sia quando inspirano, sia quando espirano, trattenendo l'aria in alcune sacche. Inspirando una doppia dose di aria, inalano anche una doppia dose di tutti i veleni che l'atmosfera potrebbe contenere, manifestando i sintomi in anticipo.

Furono sviluppate le canary box, gabbie ermetiche in cui veniva chiuso l'uccellino; un'apertura veniva tenuta aperta con una griglia per impedire al canarino di scappare e all'aria della miniera di entrare. Una volta che il canarino mostrava segni di avvelenamento, l'apertura veniva chiusa e una valvola veniva aperta, consentendo il rilascio di ossigeno da una bombola, per rianimare il canarino. I minatori nel frattempo dovevano evacuare11.

I canarini divennero quindi un compagno di lavoro del minatore per tutta un'epoca, che si concluse, nelle miniere inglesi, nel 1986 quando il governo hanno dichiarato che il "naso elettronico" avrebbe sostituito gli uccelli nel rilevamento dei gas12.

 

la rivoluzione elettrochimica

L'industria mineraria ha aperto la strada alla rilevazione di gas ma anche altre industrie hanno alimentato lo sviluppo di questi sistemi: dal trattamento delle acque reflue, che producono numerosi gas come metano e acido solfidrico, gas che si trova anche in ambito di raffinazione del petrolio, assieme all’anidride solforosa e altri idrocarburi, per non parlare della chimica in generale. In questi settori non si potevano impiegare i canarini di Haldane. C’era bisogno di qualcosa di diverso e gli sviluppi della chimica dei materiali e dell’elettricità erano pronti per offrire quel qualcosa: i rivelatori catalitici. Questi si basano  sul principio che quando il gas si ossida produce calore. I componenti del sensore sono costituiti da una coppia di serpentine di riscaldamento: di riferimento e attive. Nell'elemento attivo è incorporato un catalizzatore sulla cui superficie avviene la reazione – esotermica – dei gas combustibili con l'ossigeno presente nell'aria. L’aumento di temperatura si traduce in un cambiamento di resistenza, che viene letta tramite un circuito elettrico – il ponte di Wheatstone – utilizzato per misurare una resistenza elettrica sconosciuta, bilanciando i due rami del circuito, uno dei quali con resistenza nota. Il vantaggio principale del circuito è la sua capacità di fornire misurazioni estremamente accurate e proporzionali alla concentrazione di gas. L’ossidazione catalitica non permette una reazione al di fuori del sensore, rendendo così sicura la misurazione.

 

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Sir Charles Wheatstone, a cui si deve il nome del ponte o della “bilancia” per misurare la resistenza elettrica di un conduttore, riscoprì un metodo di Samuel Hunter Christie, trascurato fino a quel tempo e lo applicò immediatamente ad una misurazione a distanza, registrando la lettura di un termometro o di un barometro per mezzo di un contatto elettrico a  mercurio. Può quindi a ragione essere ritenuto, tra le molte cose a cui ha legato il suo nome, tra i padri della rilevazione e per di più a distanza.

Ma si dovrà attendere il Dr. Oliver Johnson, nel 1926. per vedere concretizzarsi il primo sensore catalitico; rimandiamo al primo articolo di questa collana, dedicato alla storia degli impianti a riduzione di ossigeno, nel quale abbiamo raccontato la sua storia, e quella che segue, con l’irruzione della microelettronica.

 

Vale la pena però, ripercorrere per  sommi capi la storia della catalisi, un fenomeno noto da tempi molto antichi, anche se non così la sua spiegazione teorica. Il termine catalisi, proposto nel 1835 da Jöns Jakob Berzelius, fondendo le parole greche kata che significa giù e lyein che significa allentare, intendendo, con le parole dello stesso scienziato:

“la proprietà di esercitare su altri corpi un'azione che è molto diversa dall'affinità chimica. Per mezzo di questa azione producono decomposizione nei corpi e formano nuovi composti nella cui composizione non entrano”.

 

Il primo uso noto di catalizzatori inorganici risale al 1552, quando Valerius Cordus utilizzò l'acido solforico per catalizzare la conversione dell'alcol in etere. Nel 1811 Sigismund Konstantin Kirchhoff scoprì che il riscaldamento di una soluzione acquosa di amido con acidi minerali la cambiava in una gomma, destrina e zucchero d'uva, senza che gli acidi venissero modificati dalla reazione e senza rilascio di gas. Ventidue anni dopo Anselme Payen  e Jean-François Persoz  scoprirono che la trasformazione dell'amido scoperta da Kirchhoff era attribuibile all'azione di una sostanza speciale, che chiamarono diastasi (amilasi). Nel 1878 Willy Kühne suggerì il nome di enzima per catalizzatori biologici. Alla fine del XVIII secolo, intanto, si facevano esperimenti con i gas e diversi sperimentatori riportarono che l’etilene poteva essere preparata trattando 25 parti di alcol con 75 parti di acido solforico concentrato, senza riscaldamento esterno, e anche facendo passare alcol o vapori di etere attraverso un tubo di vetro contenente silice o allumina, o semplicemente attraverso un tubo vuoto di argilla. Questo lavoro può essere considerato il primo studio sistematico delle reazioni catalitiche da parte dei metalli.  Nel 1817 Humphry Davy (ancora lui!) riferisce:

"stavo facendo esperimenti sull'aumento dei limiti di combustibilità di miscele gassose di gas di carbone e aria per aumento della temperatura ... quando fui portato accidentalmente alla conoscenza del fatto, e allo stesso tempo, alla scoperta di una nuova e curiosa serie di fenomeni ... che l'ossigeno e il gas di carbone a contatto con il filo caldo si combinavano senza fiamma, e tuttavia producevano abbastanza calore da preservare il filo acceso, e da mantenere la propria combustione… Una temperatura molto al di sotto dell'accensione era sufficiente per produrre questo curioso fenomeno… La stessa circostanza si è verificata con certi vapori infiammabili… etere, alcool, olio di trementina e nafta… Ho provato… vari metalli; ma è riuscito solo con platino e palladio; con rame, argento, ferro, oro e zinco l'effetto non è prodotto”.

Ora un lettore attento avrà subito colto il nesso tra questi filamenti metallici e la garza della lampada di sicurezza. È proprio questo principio su cui poggia l’efficacia della lampada di Davy. La scoperta di Humphrey Davy può essere considerata la prima chiara prova che una reazione chimica tra due reagenti gassosi può avvenire su una superficie metallica senza che il metallo venga modificato chimicamente13. Nel 1821 Döbereiner ripeté gli esperimenti di Humphry e del cugino Edmund Davy sui catalizzatori e trovò quel nero platino, che lui chiamò platinschwarz, faceva combinare l'alcol, a temperatura ambiente, con l'ossigeno dell'atmosfera per formare un prodotto che chiamò ossigeno etere o anche acido acetico. Un fatto più significativo è stato che il platino non solo ha ossidato completamente l'alcol in acido acetico, ma è anche rimasto invariato nella reazione. Döbereiner considerava correttamente questa importante scoperta come dovuta all'attività del platino piuttosto che all'azione dell'etanolo sul platino, come avevano erroneamente ipotizzato i Davy.

Nel 1823 Döbereiner preparò una spugna di platino accendendo l'esacloroplatinato di ammonio e fece un'osservazione notevole: dirigendo sulla spugna un getto di idrogeno attraverso un capillare tenuto a una distanza di 4 cm, in modo che fosse mescolato con aria, il metallo divenne quasi immediatamente rosso o bianco caldo e l'idrogeno prese fuoco. L'azione si è svolta a temperatura ambiente o addirittura a –10 ° C. Nelle parole di Döbereiner:

“Ne seguì in pochi istanti quella strana reazione; il volume dei gas è diminuito e dopo dieci minuti tutta l'aria immessa si è condensata con l'idrogeno per formare l'acqua.”

Questa scoperta, produrre  fuoco senza innesco, fu sensazionale ed è stata immediatamente testata e confermata da numerosi chimici e fisici, incluso un euforico Berzelius14.

William Henry fu il primo a studiare la disattivazione dei catalizzatori a base di platino. Henry scoprì che alcune sostanze (ad esempio, idrogeno solforato e disolfuro di carbonio) inibivano la combustione dell'idrogeno. Con questa nuova scoperta Henry ha sviluppato procedure per separare e analizzare i gas combustibili in base alla loro reattività in presenza di catalizzatori a base di platino. Nonostante fosse stato stabilito che molti metalli erano capaci di azione catalitica, il più interessante continuò ad essere il platino e attirò la maggior parte dell’attenzione degli scienziati.

L'intensa ricerca nell'area della catalisi, in particolare da parte di Paul Sabatier, Premio Nobel per la Chimica del 1912, e dai suoi studenti, ha portato alla scoperta che molti metalli, in particolare il nichel e gli elementi del gruppo del platino – rutenio, rodio, palladio, osmio, iridio – da soli o supportati, possedevano un'attività catalitica unica, specialmente per le reazioni di idrogenazione (che sarebbe diventata la base per il rapido sviluppo dell'industria petrolchimica). Il lavoro di base di Sabatier in questo ambito scientifico e industriale fondamentale costituisce la base delle nostre moderne teorie sulla catalisi e sui catalizzatori, nonché di molti dei processi utilizzati ancora oggi nell'industria.

Ma in conclusione di questa carrellata storica, cos’è la catalisi? Il principio generale della catalisi consiste nella variazione del meccanismo di reazione; il catalizzatore riduce il valore dell'energia di attivazione che alcune sostanze devono raggiungere per innescare la reazione, con un conseguente aumento o in alcuni casi abbassamento della velocità di reazione.

 

questione di resistenza

Anche i sensori a semiconduttore sviluppati a partire degli anni Ottanta funzionavano, e funzionano, sulla base di principi simili.

Il background scientifico dei sensori di gas a semiconduttori è fornita dalla fisica della superficie dei semiconduttori stessi, dalla teoria dell'adsorbimento o desorbimento superficiale e da quella, appunto, della catalisi, di cui abbiamo accennato sia in questo articolo, sia nel precedentemente citato primo numero di questa collana. In funzione della temperatura e della pressione parziale di una data componente del gas gli ioni adsorbiti dalla superficie del sensore, danno luogo a variazioni nelle cariche e a differenze di potenziale elettrico. I droganti catalitici svolgono, in questo, un ruolo fondamentale per aumentare la sensibilità e/o la selettività del sensore. Questi dispositivi sono stati realizzati come componenti elettrici diversi: diodi metal-oxidesemiconductor (MOS), transistor ad effetto di campo, condensatori MOS, resistori; tutti a base di silicio, contengono elettrodi metallici cataliticamente attivi. Ossidi di stagno (SnO2), tungsteno (WO3),indio (In2O3), zinco (ZnO), titanio (TiO2), rame (Cu2O) e vanadio (VO2 e V2O5) sono i più importanti materiali semiconduttori per il rilevamento del gas e sono stati impiegati in un'ampia varietà di ambienti migliorandone il campo di applicazione (rilevamento olfattivo, inquinamento ambientale, rilevazione di gas combustibili e fumo). Molte nuove idee sono state derivate dalle tecnologie microelettroniche negli ultimi quaranta anni. Sembra che l'avventura con i sensori di gas semiconduttori non sia ancora terminata; La nanotecnologia, ovviamente, influenzerà lo sviluppo di materiali per sensori di gas semiconduttori ma di questo abbiamo parlato il TRL7, nella nostra collana dedicata al futuro dell’antincendio.

 

Torniamo quindi alle origini della rilevazione incendi, questa volta seguendo un diverso approccio. Anziché rilevare la presenza di una miscela potenzialmente infiammabile o esplodente, un filone di ricerca si è concentrato anche sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare i segnali di un incendio in corso e fin da subito con l’intento di funzionare non tanto come allarme preventivo o per attivare sistemi di prevenzione ma come veri e propri attuatori dei sistemi antincendio. Sorvoleremo, in quanto già ampiamente descritti nell’articolo dedicato in questa collana, sulle teste sprinkler15, che di fatto sono dei sistemi di attivazione che rilevano la presenza del calore di incendio, e ci concentreremo su altre tecnologie di rivelazione dello stesso calore ma anche del fumo. Per farlo dobbiamo trasferirci sulla costa orientale degli Stati Uniti, alla fine del ‘800.

 

dalla chimica alla fisica

La Edison Pioneers era un'organizzazione composta da ex dipendenti di Thomas Edison. Per esservi ammessi non bastava essere stati dipendenti o collaboratori ma era necessario aver lavorato a stretto contatto con l’Inventore (con la I maiuscola) e questo prima del 1885. Francis Robbins Upton gli fu così vicino da diventare il primo presidente dell’organizzazione. Prima di essere assunto a Menlo Park da Edison, Upton aveva studiato a Princeton e a Berlino dove fu allievo di Hermann von Helmholtz. D'indole mite e modesta e d'intelligenza acuta riuscì prezioso a Edison, che univa la genialità essenzialmente da autodidatta ad un carattere decisamente ambizioso. Ma oltre che prezioso braccio destro di un inventore, fu inventore lui stesso. Nel 1890, Upton brevettò il suo rilevatore e allarme antincendio elettrico insieme a Fernando J. Dibble. 

Lo scopo del sistema brevettato dai due era rilevare l’aumento anomalo della temperatura e dare l’allarme. È interessante notare come nella stessa specifica di brevetto gli inventori chiariscono che il loro scopo era quello di produrre un dispositivo:

“completo in sé, semplice nella costruzione, senza circuiti complicati, e che non richieda un'attenzione costante.”

L’invenzione di Upton e Dibble doveva potersi applicare a edifici non collegati alle stazioni dei vigili del fuoco o altrimenti presidiati, come ad esempio magazzini dedicati allo stoccaggio temporaneo o scopi simili. 

Upton è spesso citato come l’inventore del primo allarme antincendio ma l'ufficio brevetti aveva anche registrato, col n°344.673, un "allarme antincendio automatico ed estintore" a nome di William Neracher di Cleveland, Ohio, il 29 giugno 1886, che era stato presentato addirittura l'8 settembre 1885. E se l'allarme di Neracher, che era interamente meccanico e funzionava come i primi sistemi di attivazione degli sprinkler, grazie a tiranti combustibili o leghe fondibili, per questo non può forse essere annoverato tra i precursori dei moderni sistemi di rilevazione della temperatura, quello di William F. Singer, senza dubbio, può vantare questo titolo. Singer, “cittadino degli Stati Uniti, residente a Carthage, nella contea di Jefferson e nello Stato di New York” come recita la specifica del brevetto US360823A, il 5 aprile di tre anni prima aveva presentato una domanda di brevetto per un sistema simile. Probabilmente non è ininfluente il fatto che Carthage, fondata poco meno di vent’anni prima fosse stata colpita da quattro incendi, di cui due almeno altamente distruttivi. La differenza tra i due dispositivi sta nel meccanismo di azionamento. Mentre Singer sfruttava la dilatazione di un gas in un recipiente stagno, il sensore di Upton e Dibble consisteva in un elemento bimetallico; l’equilibrio tra la spinta dovuta all’elasticità a temperatura normale dell’elemento bimetallico ed il sistema di molle di contro-spinta, poteva essere regolato in funzione della temperatura di attivazione desiderata, con un semplice cacciavite. Al variare della temperatura la deformazione termica del bimetallo avrebbe agito meccanicamente su un interruttore di un circuito elettrico, l’energia di una batteria così avrebbe cominciato a fluire, eccitando un elettromagnete e azionando il martelletto di una campanella. Un semplice meccanismo, azionato dallo stesso movimento dell’allarme, avrebbe riaperto il circuito e riarmato il martelletto, permettendo al bimetallo, ancora deformato, d'iniziare un nuovo ciclo, facendo suonare l'allarme fintanto che la temperatura rimaneva sufficientemente alta. Ancora nella specifica del 1890 si legge:

“preferiamo utilizzare una normale pila o batteria asciutta, poiché si trova a fornire corrente sufficiente da non richiedere praticamente alcuna attenzione e per durare per un lungo periodo di tempo.”

Il sensore era estremamente sensibile in quanto il bimetallo era collocato in maniera tale da rimanere indipendente dall’inerzia termica dell’intero dispositivo. La cura progettuale aveva previsto anche di proteggere i contatti del circuito e le molle da lesioni meccaniche e dalla polvere.

Questa sua qualità intrinseca, maggior affidabilità e minor vulnerabilità, rispetto al brevetto di Singer probabilmente gli hanno consentito di essere riconosciuto come il primo vero rilevatore antincendio. Del “povero” Singer non rimane quasi nessuna traccia, tanto che nella storia della sua cittadina, citata in Wikipedia, il suo nome non è nemmeno citato. In ogni caso l’oscuro inventore dev’essersi preso diverse soddisfazioni imprenditoriali in quanto risulta una Singer Fire-Alarm Company, a Buffalo, per conto della quale depositava i suoi brevetti che includono il n°US448684A del 1891, che descrive una centralina – forse la prima – in grado di ricevere segnali multipli e fornire l'indicazione visiva e acustica della posizione dell'incendio e avere un sistema di rilevazione di backup in caso di danno al circuito principale, un nuovo tipo di termostato – numero di brevetto US450260 - in grado di rilevare la temperatura, anch’esso basato sulla deformazione termica di un elemento metallico16. Se i brevetti di Singer sembrano descrivere, per la prima volta, un completo catalogo di soluzioni integrate per la rilevazione, anche altri in quegli anni si stavano muovendo sullo stesso ambito. John Young, di Chicago, aveva ottenuto il brevetto US382788, datato 15 maggio 1888 per un miglioramento del brevetto US271598, concesso il 6 febbraio 1883 a George F. Bulen che descriveva non solo un sistema di allarme elettrico, a batteria, basato su interruttori al mercurio e bimetalli ma era anche comprensivo di accorgimenti per discriminare i falsi allarmi17. Mentre questi inventori sono scarsamente ricordati, Upton invece è generalmente ritenuto l’unico inventore, assieme al socio Dibble. Paradossalmente, forse perchè Upton non aveva lo spirito imprenditoriale di Edison o forse per altri motivi, il suo dispositivo non diventò un prodotto commercializzato. Anche sul primato della commercializzazione sembra che una ricerca più attenta sia d’obbligo. Abbiamo visto infatti almeno il caso della Singer Fire-Alarm Company che farebbe pensare al fatto che dispositivi simili arrivarono sul mercato ben prima di quello che solitamente si trova riportato, dato che si riporta, solitamente, che il primo rilevatore di calore impiegato sul campo fosse quello inventato nel 1902 da George Andrew Darby, in Europa, al 211 Bloomsbury Street, di Birmingham. Se non bastasse l’anteriorità di Singer e altri, il progetto di Darby appare anche meno raffinato di quelli visti pocanzi: non tanto perché era adatto solo per l'uso in fabbriche o altri edifici industriali ma soprattutto perché il meccanismo di azionamento. Il contatto che doveva chiudere un circuito elettrico, che a sua volta faceva suonare un allarme se la temperatura saliva al di sopra del limite di sicurezza, era stato realizzato colmando lo spazio dell’interruttore con un conduttore o facendo cadere una piastra su un'altra. E fin qui, il lettore potrà trovare poca differenza con dispositivi che impiegavano interruttori a mercurio o bimetalli, se non per il fatto che la meccanica del movimento era affidata dallo scioglimento di un blocco di burro!

 

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Ormai la tecnologia era tutta a disposizione per i tradizionali sensori di calore. In particolare interruttori a mercurio, leghe fondibili, e bimetalli, nelle varie configurazioni avevano permesso di realizzare sensori che segnalavano, deformandosi e chiudendo i circuiti elettrici, il superamento di una soglia prefissata o il rapido aumento della stessa18. Non possiamo qui dilungarci oltre ma non possiamo, altresì, esimerci dal ricordare che la prima striscia bimetallica è stata realizzata dall'orologiaio, del diciottesimo secolo, John Harrison per il suo terzo cronometro da marina del 1759 per compensare i cambiamenti indotti dalla temperatura nella molla del bilanciere19. L’epopea di questo genio e il suo sforzo per determinare con precisione il grado di longitudine è gustosamente descritta, da Dava Sobel in “Longitudine. Come un genio solitario cambiò la storia della navigazione”.

 

preso per i capelli

Il primo rilevatore di fumo registrato dall'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti, il 10 dicembre 1901, col numero US688404 è quello brevettato da Oscar Freymann e Charles Tolman della American Equipment Company di Brooklyn nel dicembre 1901. Si tratta di un rilevatore elettrico in cui il dispositivo di rilevamento è un filo intrecciato - poteva essere di seta, crine di cavallo o simile - bollito per una ventina di minuti in una soluzione al 6-10% massimo di soda (per non indebolire eccessivamente la fibra) e poi asciugato e molto moderatamente stirato, in un recipiente sotto vuoto. I due inventori, come riporta il brevetto, non sono stati in grado di capirne il motivo ma scoprirono che le fibre trattate in questo modo reagivano al fumo allentandosi e allungandosi (proporzionalmente allo spessore iniziale) e, quando il fumo scompariva, irrigidendosi di nuovo.

Secondo i due la probabile causa era da ricercare nei vapori degli oli volatili prodotti dalla combustione o in alcuni dei gas contenuti nel fumo, tali da produrre l'effetto20.

Fatto sta che la fibra così trattata veniva installata in un sistema elettromeccanico, affidando al cambiamento di lunghezza provocato dal fumo, il compito di agire su un interruttore di un circuito elettrico.

L'idea originaria probabilmente si deve a Horace-Bénédict de Saussure alpinista e scienziato svizzero della seconda metà del '700, fondatore dell'alpinismo21. De Saussure, infatti, per condurre i suoi studi sul clima montano inventò numerosi strumenti scientifici, fra i quali un igrometro a capello.

Il capello umano, infatti, se esposto a un'umidità relativa compresa tra il 2,5% e il 100%, subisce un allungamento all'aumentare dell'umidità, anche se la variazione non è esattamente proporzionale rispetto all'umidità relativa22.

Solo quarant'anni prima che i nostri Freymann e Tolman sviluppassero il loro rilevatore di fumo, Wilhelm Lambrecht, un costruttore tedesco di strumenti di misura produceva regolarmente un igrometro a capelli secondo il modello dell'astronomo e metereologo Wilhelm Klinkerfues. Non era quindi così strano, ci sembra, esplorare questa via per rilevare la presenza di fumo.

 

la luce tra il fumo

Intanto la tecnologia di rilevazione del fumo aveva già fatto un deciso passo avanti anche se non era ancora pronta per passare dai laboratori e da alcune applicazioni pressoché sperimentali al mercato ed a quello della rivelazione in particolare.

Durante la seconda metà del diciannovesimo secolo, molti scienziati e ingegneri stavano osservando simultaneamente uno strano fenomeno: i dispositivi elettrici costruiti con determinati metalli sembravano condurre l'elettricità in modo più efficiente di giorno che di notte. Questo fenomeno cominciò ad essere notato e studiato in particolare dal fisico francese Alexandre-Edmond Becquerel, figlio di un altro grande scienziato e padre del futuro premio Nobel, e da  Willoughby Smith attorno agli anni '70 dell'800. Era stato scoperto l’effetto fotovoltaico. I loro esperimenti mostravano che un metallo più di altri - il selenio - era molto reattivo quando esposto alla luce rispetto a qualsiasi altra sostanza. Smith basandosi sul selenio aveva inventato un dispositivo molto primitivo per determinare l'intensità della luce misurando la corrente elettrica prodotta da reazioni fotochimiche.

Non trascorse molto tempo perchè il testimone fosse raccolto da Charles Fritts; nel 1883, l'inventore americano creò la prima cellula fotoelettrica funzionante23. Pochi anni prima nel 1874, lo scienziato tedesco Karl Ferdinand Braun24 scoprì la "conduzione unilaterale" attraverso un contatto tra un metallo e un minerale, fondamento della semiconduzione. La corrente veniva "raddrizzata" trasformandola da alternata a continua25. I principi dei semiconduttori erano sconosciuti agli sviluppatori dei primi dispositivi ma durante gli anni '30 la comprensione della fisica progredì e verso la metà dello stesso decennio si dominava sufficientemente la tecnologia del diodo a stato solido. A poco tempo prima - 1905 - corrispondeva la spiegazione dell'effetto fotoelettrico che valse il Nobel del 1921 ad Albert Einstein.

Le celle solari divennero disponibili per un uso più diffuso dopo lo sviluppo di Russell Shoemaker Ohl, nel 1941, delle celle a giunzione p/n in silicio che raggiunsero efficienze superiori al 5% negli anni '50/'60. Ohl aveva brevettato la moderna cella solare - brevetto USA 2402662, "Light sensitive device" - come conseguenza della sua scoperta dell'importanza delle impurità della giunzione p/n nel rendere alcune sezioni più resistenti al flusso elettrico di altre. Ora esisteva uno strumento in più per modulare il comportamento dei semiconduttori. Nel 1954, infine Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin e Gerald Pearson ai Bell Laboratories, realizzarono la prima cella fotovoltaica di impiego commerciale.

 

Oltre a permettere l'invenzione della trasmissione di immagini a distanza la cellula fotoelettrica si è dimostrata utile in molte applicazioni diverse. I dispositivi di rilevamento ottico del fumo sono basati su componenti fotosensibili che “leggono” la luce in diversi modi. Il sensore può illuminare il fumo con una luce di lunghezza d’onda paragonabile alla dimensione delle particelle sospese in modo da rilevare, con una fotocellula appunto, la luce che rimbalza contro il particolato26. I rilevatori basati su questo principio sono idonei a rilevare la presenza di fumo chiaro in cui è apprezzabile la dispersione della luce mentre hanno difficoltà nell'individuare fumi scuri. Per questi ci voleva un’altra invenzione, anch’essa con basi nella fisica atomica.

 

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iceberg, mucche e sottomarini

Un impiego diverso delle fotocellula, oltre a leggere la luce di ritorno che rimbalza sul particolato, è quella di misurare l'attenuazione prodotta dal fumo sul fascio infrarosso trasmesso da un emettitore posto su una parete a un ricevitore posto sulla parete opposta (o, se il raggio rimbalza su un riflettore catarifrangente, nella componente ricevente del dispositivo). Sono detti lineari perché la rilevazione del fumo può avvenire in qualsiasi punto del fascio senza soluzione di continuità. La carriera di inventore e imprenditore di Donald F. Steele si è concentrata sulla progettazione di tecnologie per la sicurezza e l'ambiente. Ha avviato Pyrotector, per sviluppare sensori di calore per aeromobili, nel cantiere navale di Hingham. Da quel lavoro, assieme a Robert Emmark ha sviluppato il concetto del primo rilevatore di fumo fotoelettrico, ottenendo il  brevetto negli Stati Uniti nel 1972 e in seguito in Inghilterra e avviando Electro Signal Lab per produrre e vendere i primi rilevatori. La società, che ha mosso i primi passi in un seminterrato a Weymouth Landing, su rilevatore fotoelettrico ha fatto la sua fortuna ed è diventata un'azienda fiorente.

Per questi sistemi era stata necessaria almeno un’altra innovazione tecnologica e ci pensò attorno al 1800, John Frederik William Herschel scoprendo la radiazione infrarossa, che Herschel chiamava "raggi calorifici". I sistemi iniziali di rilevamento della radiazione infrarossa erano basati su termometri fino a che nel 1821, Thomas Johann Seebeck scoprì l'effetto termoelettrico, e poco dopo, nel 1829, Leopoldo Nobili creò la prima termocopia. Poi nel 1835, insieme a Macedonio Melloni, Nobili costruì la termopila, un dispositivo capace di percepire una persona a 10 m di distanza. Samuel Pierpont Langley inventò il primo bolometro/termistore27 nel 1878. Questo rivelatore radiante di calore era sensibile alle differenze di temperatura di cento millesimi di grado Celsius, il che permise lo studio dell'irraggiamento solare lontano nello spettro infrarosso.

Langley e il suo assistente Charles Greeley Abbot hanno continuato ad apportare miglioramenti a questo strumento. Nel 1901, aveva la capacità di rilevare le radiazioni da una mucca a 400 metri di distanza ed era sensibile a differenze di temperatura nell’ordine dei centomillesimi (0,00001) di grado Celsius.

Con l’invenzione del transistor da parte di John Bardeen e William Shockley nel 1947 la corsa dei sistemi di rivelazione prese decisamente il volo. La prima applicazione avanzata della tecnologia IR in ambito civile potrebbe essere stata un dispositivo per rilevare la presenza di iceberg e piroscafi che utilizzava uno specchio e una termopila, brevettato nel 1913. Nel 1934 fu proposto di impiegare la tecnica per rilevare gli incendi boschivi ma la soluzione non fu veramente industrializzata fino a quando non fu utilizzata nell'analisi dell'uniformità del riscaldamento nei nastri di acciaio caldo nel 1935.

Nel 1929, il fisico ungherese Kálmán Tihanyi inventò la telecamera elettronica sensibile agli infrarossi (visione notturna) per la difesa antiaerea in Gran Bretagna. Seguirono uno scanner a infrarossi creato dalle forze armate statunitensi e da Texas Instruments nel 1947 ed il British Yellow Duckling della metà degli anni '50 per il tracciamento sottomarino mediante rilevamento delle scie (impiego originario in cui non ebbe grande successo) e la sorveglianza terrestre.

Il Royal Signals and Radar Establishment nel Regno Unito e Honeywell negli Stati Uniti svilupparono rivelatori in grado di lavorare a temperatura più alte di quelle in uso. Texas Instruments creò il primo sistema a infrarossi lungimirante nel 1963 e nel 1969, il  CCD che oggi popola moltissimi dispositivi, tra cui le onnipresenti fotocamere digitali, fu partorito da AT&T Bell Labs. Nel 1969 fu venduta la prima termocamera commerciale per ispezioni su linee elettriche ad alta tensione e, nel 1969, Michael Francis Tompsett, alla English Electric Valve Company, nel Regno Unito, brevettò la fotocamera ad alto livello di prestazioni. Verso la fine degli anni '90, l'uso degli infrarossi si stava spostando verso l'uso civile, permessa dalla drastica riduzione dei costi per gli array non raffreddati28.

Sullo stesso principio della rilevazione di sorgenti luminose funzionano i rilevatori di fiamma che avvertono la presenza di un incendio in base alla presenza di radiazione infrarossa o radiazione ultravioletta emessa da una combustione29.

 

ricercatori col vizio del fumo

Ma non esiste solo la tecnologia catalitica e ottica nell’arsenale della rivelazione incendi.

Intorno alla metà degli anni '20 uno scienziato svizzero di nome Heinrich Greinacher sviluppò il circuito moltiplicatore di tensione e il generatore a cascata che portò allo sviluppo della camera di ionizzazione. Parte di questo processo prevedeva di sottoporre i gas presenti nell’aria ad una differenza di potenziale generata da una griglia di fili attraverso i quali scorreva corrente ad alta tensione; la ionizzazione delle molecole avrebbe creato una corrente tra i due elettrodi che, in presenza di particolato che si doveva legare con gli ioni presenti, avrebbe dovuto mostrare delle alterazioni. Con questa nuova conoscenza fondamentale della tecnologia delle camere di ionizzazione, un altro scienziato svizzero, di nome Walter Jaeger, ha tentato di creare un rilevatore di gas velenoso basato sul precedente lavoro di Greinacher. Si racconta che frustrato dall'insuccesso del suo dispositivo, Jaeger si accese una sigaretta e fu presto sorpreso di notare che un misuratore sullo strumento aveva registrato un calo di corrente. Le particelle di fumo della sua sigaretta avevano prodotto ciò che il gas velenoso non era stato in grado di fare. Di conseguenza, Jaeger e il suo partner finirono per sviluppare e commercializzare un rilevatore di fumo a ionizzazione commerciale intorno al 1947. Non era molto pratico poiché aveva bisogno di 220 volt di potenza ed era costoso. Intanto nel 1939 il fisico svizzero Ernst Meili aveva ideato un dispositivo a camera di ionizzazione in grado di rilevare gas combustibili nelle miniere e, nel 1944, Glenn Seaborg e colleghi, partecipando al Progetto Manhattan impiegarono un isotopo chiamato Americio-241 per sviluppare un nuovo tipo di camera di ionizzazione, senza la necessità dei campi ad alta tensione.

La sorgente radioattiva "decade" emettendo particelle e fotoni che rimuovono gli elettroni dalle molecole d'aria, creando ioni positivi. Gli elettroni liberi si attaccano ad altre molecole neutre, diventando ioni negativi. Due elettrodi, o piastre cariche, attraggono gli ioni, creando una corrente piccola ma costante. In presenza di fumo, questo assorbe le particelle alfa emesse dall'americio (si sceglie l'americio proprio perché emette molte più particelle alfa rispetto ad altre sostanze) e dunque la corrente elettrica diminuisce. La diminuzione, rilevata dall'elettronica, fa scattare l'allarme. Nel 1962, la Commissione per l'energia atomica degli Stati Uniti iniziò a vendere americio-241 per circa $ 1.500 al grammo, sufficiente per realizzare circa quattro milioni di rilevatori di fumo a ionizzazione. Replicando l'esperienza di Jaeger, Duane D. Pearsall e Stanley Bennett Peterson nel 1964, alla Statitrol, stavano sviluppando una camera di ionizzazione che speravano sarebbe stata utilizzata per avvisare gli sviluppatori fotografici di pericolosi livelli di elettricità statica. Durante un test di laboratorio, uno degli ingegneri accese una sigaretta e il fumo fece attivare il dispositivo, il che portò Pearsall a rendersi conto del potenziale. Il dispositivo di Pearsall e Peterson funzionava utilizzando appunto americio-241 come fonte di ionizzazione. Pearsall  progettò quindi un rilevatore a ionizzazione a basso costo venduto col nome commerciale SmokeGard. Sebbene Pearsall abbia ottenuto il brevetto statunitense D226539S per il design del suo rilevatore il 20 marzo 1973, non ha ricevuto un brevetto per il suo meccanismo di funzionamento di base30. Il primo brevetto per un rilevatore di ionizzazione moderno ed economico sembra essere il brevetto USA 3767917: sensore di allarme antincendio di tipo ionizzante, rilasciato agli inventori svizzeri Thomas Lampart e Max Kuhn il 23 ottobre 1973, che avevano precedentemente brevettato in Svizzera il 23 luglio, 1970. In precedenza, altri inventori avevano descritto modi per rilevare il fumo usando la ionizzazione,  tra cui Robert Crawford, nel brevetto statunitense 3271756: metodo e apparato per rilevare una condizione pericolosa (registrato nel 1960 e concesso nel 1966), oltre al già citato Jaeger, negli anni '30. Per la prima volta, però, il sistema della Statitrol non era costoso, era facile da installare e attraverso l'uso del marketing di massa, a partire dal 1974, iniziò ad affermarsi31.

 

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Diversi sviluppi tecnologici si sono verificati tra il 1971 e il 1976, inclusa la sostituzione dei tubi a catodo freddo con elettronica a stato solido, che ha notevolmente ridotto i costi e le dimensioni dei rilevatori e ha reso possibile il monitoraggio della durata della batteria. I precedenti avvisatori acustici, che richiedevano batterie speciali, furono sostituiti con avvisatori acustici più efficienti dal punto di vista energetico, consentendo l'uso di batterie comunemente disponibili. È aumentata la sensibilità con la conseguente riduzione della sorgente radioattiva e la camera di rilevamento e la custodia del rilevatore di fumo sono state ridisegnate per un funzionamento più efficace. Nel 1995 infine è stato introdotto il rilevatore di fumo alimentato a batteria al litio con una durata di 10 anni.

Questo tipo di rilevatore è idoneo a rilevare tutti i tipi di fumo prodotti da una combustione compresi i fumi invisibili, quali quelli prodotti, ad esempio, dall'alcool etilico. A questo tipo di sensori, pur essendo sicuramente efficaci, sono stati preferiti, man mano altri basati su tecnologie che non prevedano la presenza di un elemento radioattivo all'interno che ne determina una difficoltà di movimentazione, conservazione, gestione e smaltimento anche se la pericolosità di questo tipo di rilevatore è praticamente nulla in quanto l’americio 241 è presente in quantità infinitesimali ed è protetto da una pellicola di oro che ne impedisce la fuoriuscita32.  

 

dal boomerang al laser

La tentazione di raccontare l'ultimo tratto di questo percorso storico facendo un balzo indietro di 50.000 anni e 14.000 km mi solletica ma non vi racconterò di come gli aborigeni abbiano iniziato ad impiegare la tecnica del Fire-Stick Farming, cioè origine ed uso dell'incendio controllato a scopo di caccia e fertilizzazione del terreno, fin dalla loro prima colonizzazione del continente australiano (ops!...l'ho appena fatto) ma salterò direttamente alla metà del secolo scorso, quando questa tecnica, con lo scopo di contenere la diffusione di incendi spontanei, è stata riscoperta e impiegata e ha creato le condizioni perché la rivelazione antincendio vedesse uno dei suoi più recenti e decisivi passi avanti. La scintilla creativa per questo salto di paradigma è scoccata quando una serie notevole di enormi incendi boschivi accesi a scopo di ricerca nelle foreste dell'Australia occidentale nel 1971 ha acceso l'immaginazione di alcuni membri del dipartimento generale delle poste australiane; ma andiamo con ordine.

A cavallo tra gli anni '60 e '70 del '900, i rilevatori di fumo a ionizzazione di tipo puntuale venivano sempre più ampiamente impiegati in Australia e in tutto il mondo. Le strutture informatiche e di telecomunicazione in quell'epoca stavano passando dall'elettromeccanica all'elettronica a stato solido. L'aumento della densità delle apparecchiature e del consumo energetico portava a flussi d'aria più elevati necessari per il raffreddamento. Len Gibson e John Petersen, che avevano la responsabilità per la protezione antincendio delle strutture di telecomunicazione dell'Australian Post-Master General Department (PMG), stavano scoprendo, però, che quei rilevatori di fumo, montati a soffitto, non riuscivano a rilevare gli incendi abbastanza presto, in particolare gli incendi fumanti, prima che si verificassero danni significativi alle apparecchiature elettroniche più sensibili. Spesso questo portava a gravi interruzioni del servizio e a importanti impatti aziendali e sulla comunità. Altri danni insidiosi a lungo termine erano causati dalla corrosione dei vapori di acido cloridrico emessi dall'isolamento del cavo in PVC surriscaldato.

 

Durante quello stesso decennio, l'Australia stava subendo gravi tragedie a causa di incendi boschivi33. Di conseguenza, l'Organizzazione per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth  - CSIRO - aveva istituito il Bushfire Research Group con lo scopo di trovare risposte a queste minacce attraverso l'incendio controllato di vaste aeree. David Packham, che faceva parte del CSIRO Bushfire Research Group, era particolarmente interessato al fumo dei grandi incendi naturali e aveva studiato le caratteristiche del fumo attraverso l'uso di un nefelometro da laboratorio34. Packham aveva montato il nefelometro su un aereo, per monitorare le vaste aree cui appiccavano gli incendi controllati e misurare le concentrazioni di fumo molto basse nei pennacchi convettivi degli incendi boschivi a migliaia di metri sopra le foreste dell'Australia occidentale .

 

Nel 1970, Gibson, che oltre ad essere un tecnico delle telecomunicazioni PMG era anche un vigile del fuoco volontario presso la Country Fire Authority (CFA), visitò CSIRO e incontrò Packham. I due scoprirono di avere molte cose in comune: entrambi erano appassionati di aviazione. Gibson colse l'opportunità di unirsi al gruppo di ricerca sugli incendi boschivi nel 1970 e con Packham iniziò a volare attraverso il fumo come osservatore per aiutare la mappatura in tempo reale degli incendi per le autorità antincendio vittoriane, prima, e poi anche dell'America Latina nel programma di ricerca CSIRO35.

 

Seguendo un’intuizione, Gibson chiese a Packham se il nefelometro, che stavano impiegando, potesse essere utilizzato anche per rilevare il fumo di incendi molto piccoli - per esempio quelli che si verificano nelle centrali telefoniche - campionando i flussi d'aria nei sistemi di condizionamento. Si poteva provare.

Tornati a Melbourne, quindi, con il supporto di John Petersen e del suo team tecnico presso il PMG, realizzarono alcuni prototipi che utilizzavano tubi flash allo xeno pulsato e foto-moltiplicatori ad ampia lunghezza d'onda per rilevare particelle di fumo e che consentirono di rilevare concentrazioni di fumo molto basse grazie alla luce bianca diffusa dalle particelle di fumo trasportate nel labirinto del rivelatore dall'aria pompata da un condotto di ritorno HVAC. L'ampio spettro permise al dispositivo di rilevare una gamma piuttosto significativa di dimensioni delle particelle36. Packham, Gibson e altri pubblicarono questi risultati in vari rapporti e articoli di riviste dal 1971 al 1974.

Le prove furono condotte in centrali telefoniche, stazioni trasmittenti remote, una struttura di localizzazione spaziale della NASA a Honeysuckle Creek, aule computer e in un ospedale vittoriano. Packham, Gibson e Petersen scoprirono di poter rilevare incendi fumanti molti minuti prima e con concentrazioni di fumo inferiori di diversi ordini di grandezza rispetto a quanto accadeva con i rilevatori di fumo di tipo puntuale. Ancora una volta pubblicarono i loro risultati, che includevano il monitoraggio a lungo termine delle installazioni e mostrarono a quali livelli poteva essere impostata la soglia di allarme per un rilevamento affidabile del fumo ad alta sensibilità bilanciato, rispetto alla frequenza di potenziali falsi allarmi. Gibson e Petersen concepirono un sistema di campionamento di tubazioni di piccole dimensioni, montato inizialmente a livello del soffitto, per prelevare campioni d'aria dalle stanze da proteggere, indipendentemente dal fatto che il sistema di condizionamento d'aria fosse acceso o spento37, sviluppando alcune regole empiriche per il campionamento dei progetti di tubazioni, per renderle efficaci nelle due condizioni estreme di impianto spento o di ambiente con flusso d'aria elevato. Una seconda parte dell'invenzione originale e del brevetto CSIRO era il concetto di un dispositivo a doppio canale per rilevare la differenza tra le concentrazioni di particolato che potevano causare falsi allarmi, e le particelle di fumo generate da un vero incendio. Gibson, Packham, Petersen e colleghi, aggiunsero, anche, un sistema di allarme a tre livelli con ritardi di tempo e impostazioni di sensibilità variabili, e questo insieme al sistema di tubazioni e ventole di aspirazione è diventato noto come Very Early Smoke Detection Apparatus, in altre parole il sistema di rilevamento ormai celebre sotto l’acronimo VESDA™ 38.

 

Ci si potrebbe attendere che un sistema così performante abbia riscosso immediato interesse ma se non fosse stato per la tenacia di Packham, Gibson e Petersen che si sono scontrati con l'inerzia e la mancanza di interesse commerciale di CSIRO e Telecom Australia (cioè quello in cui si era ormai trasformato il PMG) per dieci anni, la tecnologia VESDA™ avrebbe dovuto aspettare di essere riscoperta chissà quanto tempo dopo. Fortunatamente una relativamente piccola azienda di elettronica di Melbourne, la IEI Pty Ltd. e il loro amministratore delegato Martin Cole nel 1978, arrivarono in soccorso. Mentre Wormald, FFE, AWA, SEC e British Aerospace hanno tutti studiato la produzione e commercializzazione della tecnologia CSIRO/PMG VESDA™ negli anni '70, solo Cole e la sua azienda, furono in grado di sviluppare un sistema di successo commerciale. I prototipi di nefelometro di PMG/Telecom Australia avevano un costo relativamente elevato, soffrivano di deriva a lungo termine, mancavano di robustezza e non erano adatti alla produzione in serie. Petersen e il suo team, che avevano progettato e costruito il primo rilevatore VESDA™ a canale singolo, non vincolato dai brevetti CSIRO39, lo mostrarono a Cole e quel prototipo a canale singolo diventò la base della prima unità IEI commerciale, prefigurando la successiva sostituzione del tubo flash allo xeno e del fotomoltiplicatore con dispositivi a stato solido più robusti e affidabili, per ridurre al minimo le sostituzioni di manutenzione. Su questa base Cole e il suo team IEI innovarono il design raggiungendo soddisfacenti standard in termini di prestazioni e costi nel 1979, presentando il primo rilevatore VESDA™ Mark 1 E700. Il successo commerciale si fondava sull'elettronica migliorata e più stabile e un diodo PIN, invece del foto-moltiplicatore40 come ricevitore di luce diffusa. Mentre IEI iniziava ad installare VESDA™ in tutta l'Australia, in centrali telefoniche e altre strutture di alto valore, Petersen riusciva a fare breccia all'interno di Telecom Australia e altre strutture, facendo progredire l'ingegnerizzazione del sistema; Petersen e il suo gruppo avevano infatti capito che, affinché un dispositivo di rilevamento del fumo potesse avere successo commerciale, avrebbe dovuto essere robusto, compensare le derive a lungo termine ed essere collegabile a pannelli di allarme antincendio convenzionali oltre che essere conveniente da produrre, installare e manutenere. Era giunto il momento di dedicarsi a tempo pieno a questo nuovo progetto. Dopo aver fondato la sua società privata di progettazione e installazione Monit-Air, Petersen entrò a far parte di IEI nel 1981 per guidare le vendite nazionali e l'ingegneria delle applicazioni. Petersen fu anche la forza trainante affinché VESDA™ fosse riconosciuto da parte delle autorità di omologazione,  conducendo le modifiche necessarie allo standard di installazione di rilevamento australiano AS1670, tra cui il test, l'approvazione e la quotazione del Mk1 E700 VESDA™ da parte del laboratorio di prova del governo australiano del Commonwealth nel 1981.

 

Miglioramenti brevettati nei modelli successivi, da parte di Cole, videro lo sviluppo di hardware ed elettronica più robusti grazie al rilevamento a stato solido, ai controlli nell'elaborazione del segnale, al miglioramento del display, del funzionamento in standby della batteria, oltre ad una migliore aspirazione a bassa potenza, riduzione delle perdite cinematiche dei fluidi, frutto di nuove regole di progettazione delle tubazioni, che, tutti insieme, consentirono maggiore affidabilità, miniaturizzazione, riduzione dei costi e produzione su larga scala. Queste innovazioni confluirono nel Mk2 e in seguito, con l'introduzione di una struttura in policarbonato con prestazioni di alta efficienza nell'aspirazione ad alta pressione, nei modelli Mk3. Sempre a Cole si dovette l'impulso di implementare un design di prodotto innovativo di alta qualità e tecniche di produzione automatizzata avanzate nel 1985 come base per le vendite e la distribuzione internazionali. Questo lavoro e gli sviluppi successivi portarono alla concessione a Cole di circa 11 gruppi di brevetti in relazione a VESDA™ dal 1983 al 1995.

 

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Ma il suo contributo fu importante anche relativamente agli standard di installazione; Negli anni '80 e '90, Cole guidò lo sviluppo di concetti per il campionamento a soffitto, all'interno di armadi per apparecchiature e in condutture, producendo una serie di linee guida di progettazione. Ciò includeva il campionamento delle condutture per hotel, appartamenti, ospedali, prigioni, dormitori, scuole, treni e navi, nonché il rilevamento del fumo per cavidotti, sale di trasformazione, sale di controllo, trasmettitori di trasmissione e quadri elettrici.

Fin qui, tuttavia, si impiegavano in maniera diversa e più sofisticata, tecnologie già in buona parte testate nella rivelazione incendi; sostanzialmente la rivelazione fotoelettrica così com’era conosciuta fino ad allora. La maggiore innovazione da parte di Cole e del team di ricerca e sviluppo di Vision Systems Ltd. dal 1995 ha portato all'introduzione di due generazioni di VESDA™ che hanno sfruttato diversamente la luce e che promettevano di diminuire di centinaia di volte l'ordine di grandezza del particolato rilevato, con un conseguente incremento esponenziale della sensibilità, della capacità di discriminazione e della precocità con cui poteva essere dato l'allarme.

Dal 1917, ovvero da quando Albert Einstein ne aveva stabilito le basi teoriche, l'amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni era stata esplorata e approfondita ma fu solo nel 1953 che Charles Hard Townes e i suoi collaboratori James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produssero il primo amplificatore a microonde. Nel frattempo, in Unione Sovietica, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov stavano lavorando in modo indipendente sull'oscillatore quantistico risolvendo il problema dell'emissione continua. In una conferenza nel 1959, il ricercatore Gordon Gould pubblicò il documento The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, coniando il termine e definendo le possibili applicazioni - come spettrometria, interferometria, i radar e la fusione nucleare - di una tecnologia che si intravvedeva possibile ma che ancora nessuno era riuscito a perfezionare definitivamente41. Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman realizzò il primo laser funzionante agli Hughes Research Laboratories di Malibu, California, bruciando sul tempo molti concorrenti. Molti laser, basati su approcci differenti, furono proposti negli anni successivi. Nel 1962, Robert N. Hall presentò il primo dispositivo a diodi laser e Nick Holonyak Jr. il primo laser a semiconduttore con un'emissione visibile. Questi laser avevano ancora delle limitazioni per un uso diffuso ma la strada era segnata.

I principi della rilevazione laser sono simili a quelli della tecnologia fotoelettrica, con qualcosa in più.

In un rilevatore di fumo fotoelettrico, un LED emette luce in una camera di rilevamento progettata per tenere fuori la luce ambientale mentre consente al fumo di entrare. Eventuali particelle di fumo (o polvere) che entrano nella camera disperderanno la luce e attiveranno il sensore del fotodiodo.

Il rilevatore laser funziona in maniera analoga ma con una sensibilità 100 volte maggiore. Questa ultra-sensibilità è dovuta alla natura del laser stesso. Utilizzando un diodo laser estremamente luminoso e controllato, il raggio laser viene trasmesso attraverso la camera a una trappola di luce che elimina qualsiasi riflesso. Se una particella di fumo (o polvere) entra nella camera, la luce del laser viene diffusa e il rilevatore, attraverso un'opportuna elettronica e relativi algoritmi, controlla la natura della luce diffusa per determinare se la fonte è polvere o fumo. Il controllo fine della luce laser, nelle sue grandezze fondamentali, dona a  questo rilevatore la capacità di essere sintonizzato su un particolato specifico e di dimensioni enormemente minori.

 

Dopo che la IEI si è fusa con Vision Systems Ltd. nel 1995, Cole ha perso parte al team di ricerca e sviluppo che ha sostituito il tubo flash allo xeno con un laser IR a stato solido ottenendo un rilevatore in grado di offrire una maggiore affidabilità e una manutenzione minima; è nata così, con la versione LaserPlus, la tecnologia VESDA™ di seconda generazione. Dopo aver ceduto i diritti su questa tecnologia ed essere uscito dall'azienda, tuttavia, Cole ha sviluppato in modo indipendente, nel 2005  Monitair™, l'ASD di terza generazione che utilizza potenti LED a doppia lunghezza d'onda, blu e infrarossi, per discriminare tra fumo e polvere o vapore. Anche in questo caso il controllo della lunghezza d’onda permetteva di accordare lo strumento per rispondere diversamente a composti differenti. Nel 2007 Siemens acquisì i diritti su Monitair™ e Cole passò a guidare lo sviluppo della versione di Siemens, nota come FDA (Fire Detector Aspirated) includendo un nuovo design del mini-aspiratore per piccole aree.

 

Tutti questi sviluppi hanno consentito ai sistemi VESDA™ di fornire un rilevamento del fumo ad alta sensibilità e di rispondere alle sfide della transizione a sistemi di apparecchiature completamente digitali e ad altissima energia, nelle telecomunicazioni e in molti altri settori, negli anni '80 e '90. Ciò ha fornito l'opportunità di mercato per importanti esportazioni della tecnologia VESDA™ negli Stati Uniti e nel Regno Unito, nonché in Giappone, Italia, Nuova Zelanda e, successivamente, conducendo ad una distribuzione mondiale.

Nel frattempo, Cole non soddisfatto delle regole empiriche di base sviluppate dal lavoro di Gibson e Petersen, né dei suoi grafici pubblicati nel 1983, né di alcuni ulteriori tentativi di Notarianni e altri, e con la collaborazione della Monash University, ha iniziato a condurre la propria ricerca sulla dinamica dei fluidi. Ciò è culminato nel progetto del suo Master e nello sviluppo del primo software di progettazione affidabile al mondo per sistemi di campionamento del fumo aspirato con Aspire™. Successivamente, attraverso la sua ricerca di dottorato, ha anche scoperto nuove teorie sui flussi d'aria disturbati e ha sviluppato un software più accurato con Asyst™.

 

Lo sviluppo dei primi standard di test e approvazione di laboratorio in Australia, nonché la modifica degli standard australiani e successivamente degli standard riconosciuti a livello internazionale come NFPA 75 per la protezione antincendio delle apparecchiature IT e NFPA 76 per la protezione antincendio delle strutture di telecomunicazioni per consentire i sistemi ASD, hanno notevolmente aiutato la richiesta e l'accettazione di VESDA™ e altre tecnologie ASD42. L'innovazione VESDA™ ha, infatti, trasformato il settore della rivelazione di incendi e degli allarmi e ha ispirato una nuova area tecnologica del rilevamento di fumo aspirato (ASD). Dall'inizio della produzione e del rilascio commerciale di VESDA™ nel 1979, fino al 1998 c'erano circa 50.000 installazioni di VESDA™ in tutto il mondo. Entro il 2014, Xtralis, ultima proprietaria della tecnologia, ha indicato che il numero era cresciuto fino a oltre 750.000 installazioni, incorporando molti milioni di singole unità VESDA™ 43.

 

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Al momento della commercializzazione di VESDA™, c'erano altri sistemi e tecnologie di campionamento delle tubazioni, come il sistema a ionizzazione UK STAMP e Environment One, un dispositivo basato su camera a nebbia. Tuttavia, la loro penetrazione nel mercato era molto ridotta. Viceversa, il numero di sistemi VESDA™ è cresciuto in modo così esponenziale che alla fine ha generato altre tecnologie ASD competitive, come Stratos (AirSense), HART (Hartnell), Analaser (Fenwal) e FDA (Siemens).

 

conclusioni

In questa rassegna sulla storia della rivelazione ci siamo concentrati sulle tecnologie che stanno al cuore del sensore. Corre l’obbligo di ricordare, almeno marginalmente, l’evoluzione dei sotto-sistemi indispensabili al funzionamento del sensore, primi tra tutti quelli di aspirazione e di alimentazione, con la straordinaria evoluzione delle batterie, i dispositivi di segnalazione e trasmissione del segnale, etc. Sarebbe troppo lungo approfondire anche questi temi e ci porterebbe eccessivamente fuori tema.

 

Concludiamo con un accenno ad una tecnologia già presente sul mercato ma che riteniamo sia così nuova, e soprattutto carica di potenziale, da meritare di essere trattata in una collana dedicata al futuro dell’antincendio (come la nostra TRL7), ovvero quella della Video Image Smoke and fire Detection (VISD) in cui una videocamera digitale, accoppiata ad un software di analisi video, è in grado di riconoscere fumo e fuoco nell'immagine. Sebbene basata su una tecnologia, quella video e informatica, diversa dalle precedenti descritte in questo articolo (se si eccettua il CCD), la conoscenza delle dinamiche del fumo, degli effetti di scattering, etc, raccolte in 200 anni di rivelazione di fumi e gas, rappresentano un portato di know-how in cui anche queste nuove tecnologie affondano le radici.

 

note

1 Le esplosioni di grisù possono anche avvenire per semplice effetto meccanico, dovute alle altissime pressioni sotto le quali può trovarsi nelle vene di carbone.

2 Sono stati fatti grandi sforzi, in seguito, per sviluppare lampade più sicure, come la belga Mueseler.

3 Alcuni minatori sono persino in grado di riconoscere il tipo di gas presente dal cambiamento di colore della fiamma

4 Questo “stile” sperimentale era tipico anche di Humphry Davy che più volte rimase ferito o sfiorò la morte sperimentando su sé stesso gli effetti delle sostanze con cui stava lavorando, come abbiamo già visto.

5 Anche in questo caso Haldane sperimentò su se stesso; Naomi, sua figlia diciottenne, era di stanza fuori dalla porta del laboratorio, che aveva una finestra, con le istruzioni che, se fosse stato incapace di farlo in autonomia, lei avrebbe dovuto farlo uscire il prima possibile.

6 Durante lo sforzo per sviluppare una contromisura, ad Haldane fu mostrato un batuffolo di cotone usato per proteggersi dal fumo, suggerito da Winston Churchill, allora Primo Lord dell'Ammiragliato. Nonostante Haldane avesse sottolineato che non avrebbe avuto alcun valore, il War Office riprese l'idea di Churchill di usare il Daily Mail per fare appello alle donne perché confezionassero questi "presidi" per le truppe. L'appello è stato pubblicato il 28 aprile e ha portato alla realizzazione di decine di migliaia di maschere. Erano peggio che inutili: quando è bagnato, il cotone idrofilo impedisce il passaggio dell'aria. Haldane è riuscito a impedire al Ministero della Guerra di spedirne ufficialmente in Francia, ma molti sono stati inviati privatamente e potrebbero essere costati la vita ai soldati che hanno cercato di usarli al posto delle pur scarsamente efficaci maschere ufficiali. Le proposte tampone di Haldane, prima dello sviluppo della sua maschera a velo, tuttavia, che includevano l'uso di terra sciolta in un fazzoletto o una bottiglia di birra con il fondo staccato, non avranno ispirato fiducia.

7 Curiosamente Haldane subì un ingiustificato ostracismo, probabilmente a causa del fratello Richard, che era Segretario di Stato per la Guerra e poi Lord Cancelliere, che soffrì dell'ondata di sentimenti anti-tedeschi che travolse il paese all'inizio della prima guerra mondiale. Alcuni giornali avevano infatti lanciato ingiustificati attacchi contro Richard perché aveva studiato in Germania, parlava molto bene il tedesco e aveva stretti rapporti con i colleghi tedeschi.

8 Haldane è stato anche Presidente della English Institution of Mining Engineers

9 Oltre ai canarini furno impiegati anche topi bianchi ma con minor efficacia.

10 Del resto lo stesso Haldane ha aperto la strada allo studio della reazione del corpo a basse pressioni d'aria, come quella sperimentata ad alta quota. Nel 1911 guidò una spedizione a Pike's Peak , che esaminò l'effetto della bassa pressione atmosferica sulla respirazione. Da allora, Pike's Peak ha continuato a essere un sito di ricerca sulla respirazione.

11 Oltre al suo lavoro sulle atmosfere delle miniere, ha studiato l'aria in spazi chiusi come pozzi e fogne, identificando in particolare il pericolo rappresentato dall'acido solfidrico; può quindi essere a ragione annoverato tra i padri della sicurezza sul lavoro e negli spazi confinati in particolare

12 Al tempo, questo era l'ultimo di molti cambiamenti nell'industria mineraria britannica, che è stata fonte di grandi conflitti nel paese durante gli anni '80. Anche i pit pony, l'altro animale che è andato sottoterra con minatori per trasportare il carbone, era stato gradualmente pensionato dall'automazione. L'ultimo di loro si è stato ritirato nel 1999.

13 Nel suo libro sulla lampada di sicurezza, del 1825, Davy tornò alle proprietà catalitiche del platino e scrisse: "È probabile che la logica di tutti questi processi sia dello stesso tipo ... Si può supporre che il platino spugnoso assorba l'idrogeno , o che contenga ossigeno, ma nessuna di queste ipotesi si applicherà al fatto che ho osservato per la prima volta, dell'accensione di fili sottili in diverse miscele di gas infiammabili e aria, a temperature così al di sotto dell'accensione. Una probabile spiegazione del fenomeno può, credo, essere fondata sull'ipotesi elettrochimica”.

14 A quei tempi, quando non esisteva un modo semplice per produrre il fuoco, la scoperta di Döbereiner portò immediatamente alla sua applicazione pratica, la lampada idroplatinica , chiamata anche briquet à hydrogène (accendino a idrogeno) o Döbereiner Feuerzeug (lampada Döbereiner). Il Döbereiner Feuerzeug è stato utilizzato per scopi di illuminazione per circa 100 anni fino a quando non è stato sostituito dal fiammifero di fosforo.

15 Vale la pena citare Il brevetto n. 796 concesso il 24 novembre 1763 a John Green, un orologiaio della St. Martins Court di Londra per un allarme antincendio automatico. Questo non era collegato ad un sistema di estinzione degli incendi, ma può essere considerato un vero precursore del moderno sistema di allarme antincendio. Consisteva in un meccanismo simile ad un orologio, messo in moto da un peso in caduta, rilasciato quando un cavo teso attraverso il soffitto finiva bruciato dal fuoco. Non esistono registrazioni del fatto che sia stato effettivamente utilizzato.

16 Innovazioni che Singer integrò, in parte, nello stesso anno, nel brevetto US451280 per attivare un sistema sprinkler.

17 Prima di allora era stata usata la, allora recente, invenzione del telegrafo per la segnalazione degli allarmi incendi. Nel 1852 Moses Farmer e William F. Channing progettarono due scatole di allarme antincendio, ognuna delle quali conteneva una chiave telegrafica. Quando qualcuno rilevava un incendio, azionava la maniglia che era attaccata alla scatola dell'allarme antincendio, che poi inviava i dettagli del numero della scatola dell'allarme antincendio a una stazione di allarme centrale. Non appena il telegrafista alla stazione avesse ricevuto il messaggio, avrebbe informato la squadra di pronto intervento dei vigili del fuoco dei dettagli.

18 Nel primo caso si tratta di rilevatore termico mentre nel secondo si tratta di rilevatore termovelocimetrico. Il principio di funzionamento comune a tutte le tipologie prevede l'apertura di un contatto elettrico per effetto dell'incremento di temperatura. La corrente di riposo, che normalmente vi passa, si annulla e ciò attiva il sistema di allarme. I rilevatori termici differenziali hanno due lamine, di cui una rivestita da uno strato isolante: finché le lamine restano solidali, pur flettendosi, non si attiva il segnale di allarme. Pertanto sono sensibili solo a repentini aumenti di temperatura, che aprono il contatto elettrico, mentre non creano falsi allarmi nel caso di graduali incrementi di temperatura che non costituiscono pericolo.

19 I suoi primi bimetalli avevano due singole strisce di metallo unite da rivetti, ma ha anche inventato la tecnica successiva di fondere direttamente l'ottone fuso su un substrato di acciaio. Una striscia di questo tipo è stata montata sul suo ultimo cronometro, l’H5.

20 Freymann e Tolman scoprirono anche che alcuni fumi, come ad esempio quelli prodotti dalla combustione del legno, agivano più rapidamente di altri.

21 Per raccogliere evidenze per i suoi studi scientifici nel 1760, Saussure, deciso a calcolare l'altitudine del Monte Bianco, promette una ricompensa a chi per primo troverà la via per raggiungere la cima. Partecipa lui stesso a diversi tentativi e il 3 agosto 1787, un anno dopo la prima conquista della vetta da parte di  Jacques Balmat e Michel Gabriel Paccard, accompagnato da diciassette guide, più il suo servitore, de Saussure si fa condurre in cima al Monte Bianco.

22 Per lo strumento viene utilizzato un fascio di capelli biondi, sgrassati, fissi a una estremità e collegati all'altra estremità a un sistema di leve meccaniche che trasmette la deformazione dei capelli stessi.

23 Il primo impianto solare al mondo, che utilizzava le celle al selenio di Fritts, fu installato nel 1884 su un tetto di New York City; Fritts aveva rivestito selenio, semiconduttore, con uno strato estremamente sottile di oro. Le celle risultanti avevano un'efficienza elettrica di conversione di solo l'1% circa tuttavia, la strada era aperta. Le celle al selenio hanno trovato peraltro altre applicazioni, ad esempio come sensori di luce per i tempi di esposizione nelle fotocamere, dove erano comuni fino agli anni '60.

24 Braun condividerà il Nobel con Marconi nel 1909.

25 Diverse furono le applicazioni di questa scoperta, quasi immediatamente: Jagadish Chandra Bose fu il primo a utilizzare un cristallo per rilevare le onde radio nel 1894, ad esempio.

26 Questo effetto è noto come scattering Mie o effetto Tyndall dai nomi di chi lo spiegò - Gustav Mie - e di chi, precedentemente, lo osservò per la prima volta in maniera scientifica - John Tyndall.

27 Samuel Pierpont Langley, inventore e pioniere dell'aviazione americana, aveva realizzato un dispositivo che consisteva in due strisce di un metallo con proprietà particolari, che abbiamo già incontrato, il platino, rivestite di nerofumo. Una delle strisce era protetta dalle radiazioni e l'altra era esposta. Il sistema aveva un’architettura, anche questa, che abbiamo già incontrato in queste pagine: le strisce formavano i due rami di un ponte di Wheatstone dotato di un galvanometro altamente sensibile collegato a una batteria. La radiazione elettromagnetica riscaldando il nastro esposto e ne modifica la resistenza.

28 Dal 1980 e per molti decenni, le dimensioni degli array di piano focali infrarossi (IRFPA) ovvero la serie di piccoli bolometri a film sottile disposti in una matrice nel piano focale del rivelatore, sono aumentate ad un ritmo esponenziale seguendo la legge di Moore, con il numero di elementi pixel raddoppiato quasi ogni 1 ora e mezzo!

29 Trovano impiego nei casi in cui il rischio di incendio è rappresentato da combustibili liquidi o solidi altamente infiammabili in cui la produzione di fumo è un effetto secondario e la rilevazione tempestiva è estremamente importante.

30 Il primo rilevatore di fumo a stazione singola era già stato inventato nel 1970 e reso pubblico l'anno successivo. Era un rilevatore a ionizzazione alimentato da una singola batteria da 9 volt.

31 Quando sono state prodotte per la prima volta, le unità "SmokeGard 700" erano costituite da un'unità in acciaio resistente al fuoco e richiedevano una batteria sostituibile prodotta dalla Gates Energy Corporation; tuttavia, queste batterie speciali sono state rapidamente sostituite con batterie AA usa e getta. Nel 1975, la Statitrol Corporation, iniziò a produrre in serie la sua invenzione, ed era in grado di realizzarne 500 unità al giorno entro il 1977. Nel 1980, l'invenzione fu venduta a Emerson Electric e distribuita al pubblico da Sear's.

32 La maggior parte delle unità vendute oggi utilizza una microcurie o meno di americio-241. Uno studio NRC del 2001 ha rilevato che le persone con due di queste unità nelle loro case ricevono meno di 0,002 millirem di dose di radiazioni ogni anno. Una dose che può essere paragonata alla "radiazione di fondo" che le persone ricevono dallo spazio e dalla terra.

33 Particolarmente gravi furono quelli in ​​Australia occidentale nel 1961, Victoria nel 1962, Tasmania nel 1967 e di nuovo nello stato di Victoria nel 1969, con molte vite perse e vaste aree di boscaglia e proprietà distrutte.

34 Si trattava nello specifico di un dispositivo di diffusione della luce costruito al CSIRO e realizzato da Tony Eccleston, uno specialista di elettronica dell’organizzazione, sotto la direzione di Packham stesso, come versione ridotta del nefelometro a scatola di legno costruito da Beuttel e Brewer nel 1943 circa, basato sui concetti disponibili di Alquist e Charlson negli Stati Uniti per il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico. Quello australiano era stato progettato per determinare il raggio visivo per scopi militari. Il nefelometro, detto anche fotometro aerosol, misura la concentrazione di particelle sospese in un colloide liquido o gassoso. In una certa misura, la quantità di luce riflessa per una data densità di particelle dipende dalle proprietà di queste, come la loro forma, colore e riflettività. I nefelometri sono calibrati su un particolato noto, quindi utilizzano fattori ambientali per compensare la lettura di polveri di colore più chiaro o più scuro.

35 Packham aveva anche sperimentato lo sviluppo e il rilascio di bombe incendiarie dagli aerei nelle foreste per studiare pennacchi di fuoco su larga scala e comportamento del fumo.

36 Si deve in particolare a Packham la comprensione dei meccanismi della fisica delle particelle di fumo, i coefficienti di scattering, l'importanza della luce bianca a più lunghezze d'onda sul rilevamento delle particelle e il funzionamento dei sensori foto-moltiplicatori.

37 I sistemi di condizionamento d'aria potevano guastarsi o essere spenti per risparmiare energia, limitando l'efficacia del sistema.

38  Da un punto di vista più strettamente scientifico a Packham va ascritto il merito di aver sviluppato il discriminatore e il concetto di allarme VESDA™ a tre livelli e in parte del confronto a due canali (A meno B) tra aria esterna e aria interna, successivamente brevettato. Questi elementi dell'invenzione erano importanti per discriminare tra piccoli fuochi senza fiamma e falsi allarmi da contaminanti con un dispositivo come VESDA™ che era due ordini di grandezza più sensibile al fumo rispetto ai rivelatori di fumo di tipo puntuale convenzionali. Altri contributi di Packham sono stati la progettazione di misure per la calibrazione VESDA™ con gas con coefficienti di dispersione noti, la progettazione di prove sul campo estese per una migliore comprensione statistica dell'impostazione dei livelli di allarme sulla base del monitoraggio di fondo  e il supporto per la progettazione di esperimenti sull'utilizzo di tubazioni small bore (ASD rilevazione fumi aspirati) per installazioni dove i sistemi HVAC potrebbero essere spenti.

39 Petersen si era reso conto che nelle grandi centrali telefoniche ogni unità VESDA™ non necessitava di un proprio canale di confronto esclusivo per l'aria esterna e i dispositivi a canale singolo sarebbero stati più economici,

40 Il primo design basato sul fotomoltiplicatore è stato considerato così inaffidabile sul campo, a lungo termine, che la serie iniziale di produzione VESDA™ di 40 unità è stata richiamata da IEI e i fotomoltiplicatori sono stati sostituiti con ricevitori a stato solido a titolo gratuito.

41 Gould ha continuato a sviluppare l'idea e ha presentato una domanda di brevetto nell'aprile 1959 negata, assegnando il brevetto ai Bell Labs, nel 1960, provocando una causa legale durata ventotto anni parzialmente vinta da Gould.

42 Allo stesso modo, gli standard di rilevamento incendio e installazione di allarmi come NFPA 72, AS 1670 e altri standard di rilevamento incendi riconosciuti a livello internazionale come l'European EN54-Part 20 sono stati aggiornati per soddisfare la tecnologia VESDA™ e sviluppi ASD simili.

43 I sistemi VESDA™, secondo i dati disponibili nel 2017, fornivano il rilevamento circa 300 mila metri quadrati di spazio e proteggevano più di $ 200 miliardi di risorse e oltre 1 milione di persone.

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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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