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Le Origini - EVOLUZIONE DELLE SCHIUME ANTICENDIO

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

in copertina: tratto dal calendario Mozzanica 2021 – Primo giacimento petrolifero presso la Tarr farm Oil Creek, in Pennsylvania, 1866. In primo piano, ai piedi delle torri, i bacini di contenimento del greggio su cui furono applicati i primi sistemi di spegnimento a schiuma.

Cos'è quindi più poetico: il ragazzo etrusco che soffia bolle di sapone per se stesso o il cieco uomo di scienza che insegna ai suoi amici a soffiarle e attraverso un faticoso processo di domande e risposte, a definirne le forme e i colori che non riuscirà mai a vedere?

Queste poche righe bastano a smontare il mito dello scienziato dall’animo arido, solamente intento a cogliere le fredde leggi materiali che governano i fenomeni.

Già perché l’autore di queste righe, oh via! diciamolo…di questo verso, è nientepopodimeno che James Clerk Maxwell, quello che scrisse le equazioni che, riunendo la fisica dell'elettricità e del magnetismo, gettarono le basi per la fisica moderna e che per questo assieme ad Archimede, Galileo, Newton, Einstein e ad una manciata d’altre menti eccelse risiede a pieno titolo nell’Empireo della scienza.

Ma di chi sta scrivendo con tanta ammirazione il grande fisico scozzese, in quel articolo su Nature del 18 giugno 1874? Chi sono il ragazzo etrusco e l’uomo di scienza?

Il primo è quello raffigurato in un vaso etrusco, che Maxwell aveva probabilmente ammirato al Louvre di Parigi in cui è raffigurato un giovane, che con alcuni amici, soffia dentro cannucce, divertendosi a fare le bolle di sapone, il secondo era Joseph Antoine Ferdinand Plateau, un fisico e matematico belga che si è occupato così tanto e così intensamente della visione o per usare ancora le parole di Maxwell ha studiato "quei fenomeni che mostrano notevole bellezza di forma o colore", che a causa dello "spirito zelante con il quale si è dedicato alle indagini sulle impressioni soggettive del colore, lo ha esposto ad un eccesso di luce, e da allora è rimasto cieco". Questa passione per i colori forse Plateau l'aveva ereditata dal padre, un talentuoso pittore di fiori. Bambino prodigio prima e brillante scienziato1 poi, fu affascinato dalla persistenza delle impressioni luminose sulla retina Plateau è stato uno dei primi a dimostrare l'illusione ottica provocata da un'immagine in movimento. Fu proprio durante uno degli esperimenti relativi a questo fenomeno che Plateau guardò direttamente il sole per 25 secondi. A questo evento attribuì la perdita della vista più tardi nella sua vita anche se probabilmente non era quella la causa. Fatto sta che a questo handicap si riferiva Maxwell quando parlava di forme e colori che l'uomo di scienza - Plateau, appunto - non potrà mai vedere.

Ora che sappiamo chi sono i due protagonisti del passo di Maxwell che abbiamo citato, per sapere cosa c'entrano con la nostra storia, che ha a che fare con la schiuma, ci manca l’ultimo elemento: la bolla di sapone.

Plateau oltre alla questione dei colori aveva studiato anche i fenomeni di azione capillare e tensione superficiale. Il problema matematico dell'esistenza di una superficie minima con un dato confine – il problema di Plateau – prende, appunto, il nome da lui2, così come da lui prendono il nome le leggi che governano i film di sapone e descrivono le strutture formate da tali film nelle schiume. Plateau le definì nel suo Statique expérimentale et théorique des liquides soumis aux seules forces moléculaires del 1873. Questo era il lavoro cui si riferiva la recensione di Maxwell, di cui abbiamo colto quel breve passo. In quest’opera Plateau ha riassunto le ricerche precedenti e gettato le basi per il lavoro futuro sulle schiume. Sì perché la bolla ha occupato le menti degli scienziati di tutti i tempi. Sir Isaac Newton, Sir David Brewster e Faraday3, Sir William Thomson (in seguito Lord Kelvin) per non parlare di molti altri, tra cui Charles Vernon Boys che ha trasformato l'esposizione di Plateau in lezioni per un pubblico giovanile e popolare, raccolte poi nel libro Bolle di sapone: i loro colori e le forze che li modellano, che è diventato un classico della divulgazione scientifica4 

Nel suo trattato, Plateau esponeva le leggi dell'equilibrio delle pellicole di sapone (e molto altro), descrivendo la struttura delle schiume. Prima di proseguire sarà quindi il caso di richiamare qualche elementare concetto relativo a questi spumeggianti composti che hanno attirato l’attenzione di così tanti scienziati?

Una schiuma è una dispersione di un gas in un mezzo liquido (sebbene possano esistere schiume nei solidi o nei gel, che però non rientrano nell’ambito di questo articolo) e sono generalmente ottenute per dispersione meccanica del gas nel liquido o sfruttando agenti schiumogeni, ovvero sostanze che liberano gas in seguito a decomposizione o che, i tensioattivi, diminuiscono la tensione superficiale.

Le schiume possiedono tipicamente una struttura disordinata e al loro interno esiste una varietà di bolle di diversa dimensione. Secondo le Leggi di Plateau, i film di sapone sono costituiti da superfici interamente lisce. La curvatura media di una porzione di film di sapone è sempre costante in ogni punto della stessa porzione di film.

I film di sapone si incontrano sempre a tre a tre e lo fanno a un angolo di 120°, formando un bordo chiamato bordo di Plateau. Questi bordi di Plateau si incontrano quattro a quattro a un angolo di circa 109,47° per formare un vertice. Le strutture che non rispettano le leggi di Plateau sono instabili e tendono rapidamente al riarrangiamento.

Nella maggior parte delle schiume, il volume di gas è molto grande rispetto al liquido.

Le schiume sono esempi di mezzi dispersi, ovvero due sostanze, mezzi appunto, che non si mescolano. Più specificamente, un mezzo disperso contiene elementi discreti di un primo mezzo che sono dispersi in un secondo mezzo continuo e possono essere di natura molto diversa (gas, liquidi o solidi).

Quando questi elementi dispersi sono molto piccoli (tipicamente <1 micrometro), cioè per una schiuma molto fine, questo mezzo disperso può essere considerato un tipo di colloide .

Sono necessarie diverse condizioni per produrre schiuma: dev'esserci lavoro meccanico, componenti tensioattivi che riducono la tensione superficiale e la formazione della schiuma dev'essere più rapida della sua rottura, ovvero dev'essere stabile.

La stabilizzazione di una schiuma è causata dalle forze di van der Waals tra le molecole nella schiuma, i doppi strati elettrici creati dai tensioattivi dipolari e l'effetto Marangoni5, che agisce come forza di ripristino dei film.

La destabilizzazione della schiuma, invece, si verifica per diversi motivi. In primo luogo, la gravità provoca il drenaggio del liquido alla base della schiuma; tuttavia, la schiuma si destabilizza anche a causa della pressione osmotica e a molti altri fenomeni, tra cui la temperatura e la presenza di sostanze che interferiscono con i processi chimici e fisici che ne determinano, per contro, la stabilità.

Insomma, fare una schiuma stabile non è una faccenda semplicissima. Se poi avete la bizzarra idea di gettarla sul fuoco sperando che questa non si destabilizzi  significa che vi piace complicarvi la vita.

Ma perché poi dovreste farlo? Beh, per diversi motivi.

Se volete spegnere dei liquidi infiammabili, magari più leggeri dell'acqua, avrete bisogno di una sostanza che non vi ci affondi dentro, che non faccia tracimare il contenitore di liquido in fiamme e che andando in ebollizione, al di sotto del fuoco, non faciliti la propagazione dell'incendio6.

E per questo scopo la schiuma è un'ottima candidata.

 

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Un'altra cosa che la schiuma sa fare bene oltre a scorrere sui liquidi è aderire agli oggetti, riflettere, con la sua opacità, il calore radiante e frapponendosi tra combustibile e comburente ostacolare la combustione.

Quando poi scoprirete che questa schiuma evaporando sottrae calore al fuoco, riduce la quantità di vapori, facendovi per giunta risparmiare le riserve idriche grazie all’aumento del volume che riesce ad imprimere al liquido, allora certo vi sarete convinti della sua bontà come agente estinguente.

Vedremo nel corso della nostra ricognizione storica che le schiume antincendio hanno anche altre caratteristiche che le contraddistinguono e le rendono più o meno adatte ad impieghi particolari (la loro rapidità di espansione, il fatto di contenere composti che contrastano la combustione o che le rendono resistenti all'aggressione fisica e chimica).

 

Eureka!

“Il petrolio era nell'aria, nelle narici, negli occhi, nell'acqua del bagno – dappertutto

scriveva Abraham Valentine Williams Jackson nel 1911 a proposito di Baku, oggi capitale dell’Azerbaigian e allora, già da sessant’anni il centro dell'industria petrolifera russa e non solo; da li, infatti, arrivava un quinto del petrolio allora usato nel mondo. Con tutto quel petrolio non c’è da stupirsi che gli incendi fossero un problema di difficile soluzione; L'acqua era inefficace contro gli incendi del petrolio per i motivi che abbiamo accennato qualche riga più sopra. Dal 1904 però, un cinquantacinquenne ingegnere diplomato al Politecnico di San Pietroburgo, che aveva poi studiato chimica a Parigi, aveva sviluppato un approccio efficace per combatterli.

La Leggenda dice che Aleksandr Grigoryevich Loran, che a Baku faceva l’insegnante, stesse bevendo birra con un amico quando ha gridato: "Eureka!", osservando come la schiuma galleggiava sul liquido e aderiva al boccale. Vero o no questo aneddoto, certo è che Loran sviluppò la prima schiuma estinguente di successo.

Il dispositivo di Loran era composto da un serbatoio principale con soluzione acquosa di bicarbonato di sodio e una vasca interna con solfato di alluminio, con piccole quantità di saponina o di liquirizia aggiunte per stabilizzare le bolle: mescolando tra loro queste due sostanze si generavano schiuma e anidride carbonica allo stato gassoso in grado di provocare la fuoriuscita della sostanza dal recipiente. La soluzione stabile di piccole bolle di anidride carbonica con una densità inferiore a quella dell'olio o dell'acqua, scorreva liberamente sulla superficie del liquido soffocando il fuoco.

Sebbene Loran sia accreditato spesso come inventore dell’estintore a schiuma, sembra che sia stato anticipato di quasi trent’anni.

Il primo suggerimento per l'uso di schiuma come agente estinguente appare, infatti, in un brevetto inglese attribuito ad un certo J. H. Johnson, nel 1877 sul quale viene riportato, come comunicazione della da F. Girard & Co. di Parigi, che:

"l'oggetto di detta invenzione è la formazione con alluminio, silicio, calcare o altri prodotti analoghi, di una un composizione viscosa incombustibile a bassa densità che in conseguenza della sua condizione schiumosa, può galleggiare sulla superficie di corpi grassi, come, ad esempio, petrolio e altre essenze quando in fiamme, e per coprire oggetti solidi in fiamme con uno strato incombustibile in modo tale da arrestare improvvisamente tutta la combustione e per prevenire il riaccendersi che potrebbe essere causato dalla vicinanza delle fiamme.”

Johnson nel brevetto descrisse un apparato composto da quattro recipienti interconnessi.

Il primo conteneva un acido; il secondo, una soluzione concentrata di bicarbonato di sodio; il terzo, una soluzione di alluminio, sodio e solfati di ammonio; e il quarto, una soluzione di  silicati alcalini e solfuri a cui doveva essere aggiunta materia organica, come saponi, mucillagini sostanze albuminoidi.

Per far funzionare l'estintore l’acido veniva scaricato a pressione nel bicarbonato. Questo costringeva l’anidride carbonica e il bicarbonato a tracimare nel terzo compartimento, trascinandone il contenuto nella quarta camera. La miscela schiumosa risultante veniva quindi scaricata attraverso un tubo e un ugello.

Anche dall’altra parte dell’oceano Elmer Gates7, un prolifico inventore, il cui laboratorio di Chevy Chase nel Maryland, all'inizio del XX secolo, era il più grande laboratorio privato degli Stati Uniti, il 13 marzo 1903 aveva brevettato un metodo per lo spegnimento di incendi con schiuma meccanica8. In questa domanda di brevetto si trova un riferimento ad una precedente soluzione che prevedeva l'applicazione di un'emulsione mucillaginosa e gelatinosa contenente sali incombustibili che liberavano gas estinguenti come anidride carbonica, ammoniaca o simili. Anche quella proposta da Gates faceva uso di tali composti e prevedeva un ingegnoso sistema di serbatoi interconnessi. In particolare un contenitore di soluzione di sapone di ammonio con borace disciolto o solfato di ammonio, era collegato ad una bombola contenente ammoniaca, azoto o anidride carbonica sotto pressione. Il gas avrebbe spinto la soluzione in una seconda camera in cui altro gas, spillato dallo stesso recipiente iniziale e portato per un circuito separato alla camera di miscelazione, avrebbe gorgogliato attraverso la schiuma che si andava formando, gonfiandola ulteriormente. Il sistema di Gates era di notevoli dimensioni poiché poteva essere trasportato a mano ma come un estintore carrellato, o trainato da cavalli. Secondo l’inventore l'ugello avrebbe dovuto essere infilato in una finestra o porta aperta dell’ambiente interessato dalle fiamme e il flusso di bolle si sarebbe sviluppato in quantità tale da riempire la stanza, espellendo l'aria, togliendo comburente alle fiamme, sia per spostamento dell’aria, sia per sostituzione con il gas inerte. Per aumentare la tenacità delle pellicole a bolle, Gates suggeriva di aggiungere della glicerina all'emulsione.

Gates, nel brevetto, testualmente esprime la sua preferenza per impiegare la schiuma in modo da non solo applicare con maggior vantaggio i gas estinguenti contenuti nelle bolle, ma con l'ulteriore scopo di distribuire così l'emulsione stessa in tutta l’area su cui viene spruzzata, sfruttando appieno la sua capacità per lo sviluppo di ulteriori gas estinguenti e per depositare sulle superfici in fiamme i sali non combustibili contenuti nell’emulsione.

Questo perché aveva osservato (ma evidentemente questo l’avevano fatto anche Johnson  e Loran) che, con le parole di Gates:

“quando una massa di bolle viene lanciata su materiali che bruciano, la fiamma viene estinta più efficacemente che gettando una quantità uguale del liquido che costituisce la pellicola delle bolle sulla stessa quantità di fiamma. La spiegazione di questo fenomeno è che un'oncia, per esempio, di liquido che crea bolle gettato direttamente sui materiali in fiamme coprirà un'area molto minore a una profondità molto inferiore rispetto a se la stessa quantità di liquido fosse prima convertita in una schiuma di minute bolle. In effetti, la massa di schiuma procurabile da una data quantità di liquido che fa bolle sarà parecchie volte maggiore almeno di quella del liquido da cui è composta e quindi schermerà più efficacemente l'aria dalla superficie su cui si trova gettata e allo stesso tempo inumidirà e soffocherà la fiamma altrettanto efficacemente come fa il liquido stesso. Inoltre, se le bolle contengono, invece di aria, un po' di gas che non supporta la combustione come, ad esempio, ammoniaca, azoto o acido carbonico, il fuoco sarà ancora più efficacemente estinto, perché quando le bolle si liberano del gas inerte, questo verrà rilasciato e si mescolerà con l'aria in quella zona, riducendone quindi la capacità di sostenere la combustione, ricoprendo la superficie combustibile con la quale entrano in contatto con uno strato di gas non combustibile.”

Ma a Gates non era chiaro solo l’impiego estinguente ma anche quello protettivo, perché continuava a scrivere così:

“Utilizzando un gas non combustibile in connessione con un liquido che crea bolle, si può creare molto rapidamente un'enorme quantità di schiuma simile a una bolla, che può essere lanciata contro le pareti, i pavimenti e i soffitti di un edificio, in modo da proteggerne superfici, e per questo scopo la schiuma a bolle dovrebbe contenere sali inorganici che si decompongono al riscaldamento e danno gas incombustibili”

Questi prodotti apparentemente non sono stati sviluppati e il primo estintore a schiuma è attribuito, come abbiamo visto, a Loran, il cui primo esperimento fu lo spegnimento di un serbatoio di nafta, di 10 metri e mezzo circa di diametro. In quella dimostrazione, del 1904, le due soluzioni sono state erogate separatamente da pompe gemelle che le immettevano in una camera di premiscelazione, permettendo loro di reagire prima di essere spruzzate sulla superficie in fiamme. Loran suggerì anche che la schiuma poteva essere realizzata con l'aggiunta all'acqua di una polvere formata mescolando le sostanze chimiche utilizzate nei suoi esperimenti (via che venne di fatto seguita dalla metà degli anni ’20).

Gli esperimenti di Loran furono un successo e lui brevettò la sua invenzione in Russia e negli Stati Uniti e successivamente, fondò una società – questa davvero si chiamava "Eureka" nel 1907- a San Pietroburgo, e iniziò a produrre e vendere i suoi estintori a schiuma.

 

L’estinzione a schiuma faticò però ad affermarsi fino al 1912 circa, quando il sistema di Loran fu introdotto in Inghilterra e dato in dotazione ai vigili del fuoco.

L'apparecchio utilizzato disponeva di due serbatoi, uno contenente una soluzione di solfato di alluminio al 13% e l’altro una soluzione all'8% di bicarbonato di sodio con il 3% di saponina, liquirizia o olio di ricino rosso come stabilizzatore di schiuma. Ce n’erano anche di piccola taglia, da usare come estintori a mano ma la diffusione principale nel decennio a cavallo della prima guerra mondiale, l’ebbe il sistema di grossa taglia per la protezione dei serbatoi di stoccaggio del petrolio negli Stati Uniti e in Germania oltre che, come detto, in Inghilterra.

 

Dal 1925, prima Urquhart e Burmeister, poi Graaff, Timpson, e altri svilupparono generatore di schiuma che impiegavano i componenti chimici in polvere miscelandoli all’acqua in pressione sebbene, questi apparati soffrissero del problema dell’agglomerazione delle polveri che ne ostacolavano, talvolta, il deflusso9.

 

una ricerca spumeggiante

Come agenti schiumogeni, a partire dalla saponina, sono stati proposti un'ampia varietà di composti come stabilizzatori chimici della schiuma, compresi gli estratti vegetali, proteine idrolizzate e composti sintetici, con la concessione di diversi brevetti10. Tuttavia le sostanze naturali, ed in particolare la saponina11, vennero progressivamente sostituiti da prodotti chimici, più economici.

Inoltre esistevano limiti all’impiego delle schiume.

A temperature inferiori ai 4°C, la reazione tra il bicarbonato e il solfato di alluminio era troppo lenta per essere efficace e si dovettero sviluppare soluzioni che prevedevano l'impiego di altri reagenti. Ma non c'era solo il problema delle temperature.

Sebbene la schiuma chimica sia eccellente a contatto con benzina e altri incendi di idrocarburi, è rapidamente "sgonfiata" da alcoli e altri solventi polari. L'aggiunta di saponi di acidi grassi saturi riusciva a renderle più stabili12.

 

Percy Lavon Julian e la schiuma proteica

All'inizio della seconda guerra mondiale, gli estintori a schiuma subirono un’innovazione radicale; gli ingredienti della nuova schiuma furono la soia, tanta ricerca e una buona dose di razzismo. Ma andiamo con ordine. Percy Lavon Julian nacque a Montgomery, Alabama, nel 1899, in un'epoca in cui negli stati del Sud vigevano le leggi Jim Crow, il sistema di feroce segregazione razziale. Per proteggere i suoi figli da questa atmosfera opprimente, James, il padre di Percy, figlio di schiavi e uno di primi afroamericani laureati, così come la moglie, spendeva ogni centesimo che riusciva a racimolare per comprare libri per i suoi figli, perché la biblioteca pubblica era loro vietata. James era determinato a mandare i suoi figli al college ma a Montgomery, e in gran parte del sud, le scuole pubbliche per bambini neri semplicemente si interrompevano dopo l'ottavo anno. Ma la famiglia Percy era determinata  e Julian riuscì ad entrare alla DePauw University, un piccolo college a Greencastle, Indiana, e recuperare un ritardo nella preparazione che sembrava incolmabile, grazie, in parte, all'incoraggiamento del professore di chimica William Blanchard. Quattro anni dopo si laureava. Ma era solo una delle tante sfide che Julian avrebbe dovuto superare. Al professor Blanchard i colleghi delle università, cui si rivolgeva per raccomandare il ragazzo, rispondevano di scoraggiarlo perché non avrebbe potuto trovare un lavoro corrispondente alla sua qualifica, al termine degli studi, in quanto afroamericano, e questo avrebbe significato per lui solo frustrazione. Nonostante questo, dopo due anni Julian aveva vinto una borsa di studio per Harvard, che dovette lasciare però tre anni dopo, senza il dottorato, visto che la prestigiosa  accademia preoccupata che gli studenti bianchi si risentissero di avere un insegnante afroamericano, gli ritirò l’assistente di insegnamento, rendendogli impossibile completare il suo Ph.D.. Nel 1929, finalmente, ha vinto una borsa di studio per studiare all'Università di Vienna, in Austria. La chimica dei composti naturali era il ramo principale della chimica nella prima metà del XX secolo e nel 1929 Vienna, era la sua mecca, al cui centro sedeva il famoso scienziato Ernst Späth. Percy stava per iniziare un'indagine sulla chimica delle piante che l’avrebbe accompagnato per tutta la vita.

Späth affida a Julian una poderosa sfida scientifica a cui il giovane ricercatore venne a capo in due anni. Späth descrisse Percy Julian come

"uno studente straordinario, come non ho mai avuto nella mia carriera di insegnante ".

Julian tornò in America, nell'autunno del 1931 con un dottorato, una forte preparazione e molte speranze. Speranze che si infrangeranno contro un mondo fatto di pregiudizi e razzismo. Una campagna diffamatoria nei suoi confronti, con la divulgazione a mezzo stampa di lettere private di Julian, in cui esprimeva critiche ad alcuni personaggi del mondo accademico, ed una relazione extraconiugale con la moglie di un collega, lo costrinsero alle dimissioni, solo un anno dopo il suo ritorno da Vienna. William Blanchard lo riaccolse a DePauw anche se come semplice ricercatore. Ma anche da lì Percy Lavon Julian riuscì a lasciare il segno. Nel corso dei tre anni successivi, 11 dei progetti studenteschi supervisionati da lui avrebbero portato a documenti sul Journal of the American Chemical Society; un risultato tutt’altro che trascurabile. Ma tornato in vista, la discriminazione razziale lo rimise nel suo mirino, e gli attacchi ripresero. Julian rilanciò con un progetto di ricerca ad alto rischio, uno che lo avrebbe reso celebre o lo avrebbe distrutto. Da anni si cercava di isolare la fisostigmina - un alcaloide usato per trattare il glaucoma - ma nessuno era stato in grado di sintetizzare la complessa molecola. La sintesi della fisostigmina avrebbe portato un riconoscimento indiscutibile a chi l’avesse raggiunta. Battendo sul tempo Sir Robert Robinson, il principale chimico organico del suo tempo con al suo attivo nove articoli sulla fisostigmina nella principale rivista chimica britannica, Julian e il suo collega Josef Pikl delineavano un nuovo approccio alla sintesi della fisostigmina nel 1934. La sintesi della fisostigmina fu immediatamente riconosciute come una pietra miliare nella storia della chimica, un primo esempio di ciò che i chimici chiamano "sintesi totale", l'assemblaggio completo di una molecola complessa da blocchi chimici di base. Ma non bastava per avere un posto di docente. Non se eri nero, per lo meno. Senza speranza di una carriera accademica, ha rivolto la sua attenzione all'industria. La principale società chimica americana, DuPont, aveva invitato Julian e il collega e coautore della scoperta Josef Pikl per un'intervista. I dirigenti di DuPont hanno offerto a Pikl un lavoro. A Julian, ha ricordato in seguito, hanno offerto delle scuse:

"Non sapevamo che fossi un negro".

Su insistenza di Julian, Pikl ha accettato il lavoro alla DuPont e ha trascorso lì il resto della sua carriera. Julian è tornato alla ricerca di un impiego. L'Istituto di chimica della carta, ad Appleton, nel Wisconsin, era pronto a fargli un'offerta fino a che non scoprì che un vecchio statuto vietava ai negri di essere ospitati ad Appleton13 durante la notte!

Ma un membro del consiglio dell’Istituto, un irlandese di nome William J. O'Brien, vicepresidente della Glidden Company, stava cercando un chimico esperto per dirigere il nuovo laboratorio della Glidden's Soya Products Division di Chicago. Julian parlava correntemente il tedesco e la Glidden aveva appena acquistato un moderno impianto di estrazione continua con solventi in controcorrente, dalla Germania, per l'estrazione di olio vegetale dalla soia per realizzare basi per pitture e altri usi14

Ha offerto a Julian il lavoro di direttore della ricerca. Julian ha supervisionato l'assemblaggio dell'impianto di Glidden quando è arrivato nel 1936, quindi, il primo incarico che la Glidden affidò al suo nuovo direttore della ricerca fu isolare la proteina della soia, cosa che non era mai stata fatta su scala industriale. Julian ha progettato e supervisionato la costruzione del primo impianto al mondo per la produzione di proteine ​​di soia isolate di livello industriale da farina di soia oil-free.

Ci volle più di un anno ma alla fine, i chimici di Julian hanno trovato la giusta combinazione di tempo, temperatura e acidità per estrarre la proteina dalla soia. La "proteina alfa" di Julian è stata la prima proteina vegetale prodotta alla rinfusa ovunque in America. Glidden ha guadagnato milioni di dollari. Dopo la proteina alfa, Adrian Joyce ha esortato Julian a rivolgere la sua attenzione ad altre parti della soia.

Julian era particolarmente interessato a al progesterone scoperto nel 1934. Forse in questo interesse giocava anche il fatto che la signora Julian aveva avuto un paio di aborti spontanei. E i medici a quel tempo avevano scoperto che il progesterone era essenziale per portare a termine un bambino.

Julian si rese conto che il progesterone offriva nuove speranze. La svolta è stata la consapevolezza che si potevano prendere sostanze dalle piante come punto di partenza per la sintesi degli steroidi. Quando a  DePauw faceva ricerche sulla fisostigmina, Julian aveva messo da parte un piatto di olio di semi di Calabar. Pochi giorni dopo, aveva trovato cristalli bianchi nell'olio. Cercando nella letteratura, aveva scoperto che questi cristalli erano uno steroide vegetale chiamato stigmasterolo. Piccole quantità di stigmasterolo erano state trovate anche nell'olio di soia, e Julian ora ne aveva in abbondanza a Glidden. Era fiducioso di poterlo convertire in progesterone, se fosse riuscito a trovare un modo per estrarre questo stigmasterolo dall'olio. Un giorno il telefono squillò e il tizio disse:

«Doc, è successo qualcosa. Un po 'd'acqua è filtrata nel serbatoio dell'olio di soia n. 1, ed è rovinata»

«Rovinata? Cosa intendi dire con “rovinata?»

Ora, capisci, questo serbatoio conteneva 100.000 galloni di olio di soia raffinato destinato allo stabilimento Durkee Famous Foods. Se fosse stato rovinato, Glidden avrebbe perso $ 200.000. E un errore del genere avrebbe potuto costarmi il lavoro, quindi mi precipitai laggiù in un batter d'occhio.”

Julian trovò il serbatoio sporco di una fanghiglia bianca. Ma la sua disperazione svanì in un lampo quando intravvide dei cristalli nel fango sul fondo della vasca. Erano stigmasterolo, gli stessi cristalli che aveva trovato nel piatto dell'olio Calabar. Ora si rese conto di cosa aveva costretto lo stigmasterolo a uscire da entrambi gli oli, l'acqua. è stata questa piccola scoperta accidentale che ha portato a un metodo pratico per l'isolamento degli steroidi dall'olio di soia. Julian si rese conto che il processo poteva essere industrializzato. Una società che opera nel settore delle vernici diventa improvvisamente un attore nel gioco degli ormoni sessuali umani15.

Ma ancora non bastava, perchè Julian fu escluso da un'importante conferenza sugli ormoni tenuta in un resort esclusivo nel Maryland. Solo dopo tre giorni di proteste da parte dei suoi colleghi bianchi è stato finalmente ammesso. Il lavoro di Julian avrebbe gettato le basi per una nuova classe di farmaci, tra cui la pillola anticoncezionale e un farmaco miracoloso che presto avrebbe preso d'assalto il mondo, il cortisone. Ma ora siamo arrivati al bivio e stiamo quasi per lasciare la storia di Percy Lavon Julian, perché è in questo momento che la sua ricerca incrocia l’antincendio. All'inizio della seconda guerra mondiale, Glidden inviò un campione della proteina di soia isolata da Julian alla National Foam System Inc. Verso la metà degli anni Quaranta, la sua proteina alfa divenne l'ingrediente principale della " bean soup", una schiuma antincendio accreditata per aver salvato la vita di migliaia di militari. La National Foam System Inc. oggi un'unità della Kidde Fire Fighting, infatti, la utilizzò per sviluppare Aer-O-Foam, il nome commerciale della "zuppa di fagioli" appunto. Sebbene non fosse esattamente il frutto diretto dell'ingegno di Julian, la sua meticolosa cura nella preparazione della proteina di soia ha reso possibile la schiuma antincendio . Quando un idrolizzato di proteina di soia isolata è iniettato in un flusso d'acqua, la miscela si trasforma in schiuma per mezzo di un ugello di aerazione. La schiuma proteica di soia è stata utilizzata per soffocare gli incendi di petrolio e benzina a bordo delle navi ed è stata particolarmente utile sulle portaerei. Ha salvato la vita a migliaia di marinai e aviatori. Citando questo risultato, nel 1947 la NAACP assegnò a Julian la Medaglia Spingarn, precedentemente assegnata a Web Du Bois, George Washington Carver, Paul Robeson e Thurgood Marshall. Con un po’ di dispiacere smettiamo di seguire l’appassionante vita di Julian, che non è stata priva di altre scoperte e altre aggressioni razziste16, basti dire che il suo contributo fu fondamentale allo sviluppo dei farmaci a base di cortisone17. Lasciatemi solo ricordare che né la ricchezza né la fama protessero Julian dal razzismo, ma con il successo ebbe la possibilità di fare qualcosa al riguardo, impegnandosi per la difesa dei diritti civili18.

 

schiume ad alta espansione

Come abbiamo detto, ai tempi in cui Julian studiava a Vienna, era stato accolto da un ambiente aperto e non discriminante permettendogli di entrare in strati della società che erano inaccessibili per lui in America. Le persone di colore in Europa erano molto rare e Percy, per la prima volta nella sua vita, lì era ammirato. Era il 1929. Julian era stato particolarmente fortunato, in quell'occasione, cogliendo un momento magico di una ex capitale imperiale al tramonto. Erano gli anni politicamente ed economicamente turbolenti della Prima Repubblica austriaca, ma erano anche gli anni del Circolo di Vienna.

Quel clima, oggi lo sappiamo, sarebbe durato un battito di ciglia e il Vecchio Continente sarebbe presto precipitato in un vortice di violenza e persecuzioni politiche e razziali.

Persecuzioni di cui dovette soffrire anche il prossimo personaggio di cui seguiremo per un po’ le vicende. Herbert Eisner, questo il suo nome, era nato nel 1921 a Berlino in una colta famiglia ebrea. Suo nonno materno aveva fondato il primo grande magazzino della Germania, il Grand Bazaar di Francoforte, e aveva annoverato tra i suoi compagni di gioco Richard Strauss. La fortuna della famiglia fu inghiottita dall'inflazione dopo la prima guerra mondiale, ma la sua casa continuava ad essere frequentata da personaggi del calibro di Leni Riefenstahl e Bertolt Brecht. Sua zia, Lotte Eisner, era una critica cinematografica specializzata in espressionismo tedesco; è diventata una co-fondatrice della Cinémathèque Fran-çaise di Parigi, e Wim Wenders e Werner Herzog le hanno dedicato dei film.

La casa berlinese degli Eisner era nei pressi del Tiergarten, lungo la strada che ogni mattina, zoppicando, Goebbels pecorreva per raggiungere il Ministero della Propaganda, dopo la presa del potere da parte dei nazisti; Nel 1936 la persecuzione degli ebrei fu apparentemente bloccata per due settimane mentre gli occhi del mondo erano puntati su Berlino per i Giochi Olimpici. Gli Eisner sono andati allo stadio, dove, quando arrivò Hitler, la madre di Eisner si rifiutò di alzarsi in piedi.

Era il momento di andarsene. Herbert e suo fratello minore furono mandati a scuola all'estero, Stephan a Parigi e Herbert, all'età di 15 anni, in un collegio in Gran Bretagna, il Buxton College, che aveva un record di accoglienza di rifugiati ebrei dalla Germania. Nel 1939 i genitori raggiunsero i figli e tutti insieme si stabilirono a Londra.

Eisner completò lì gli studi, diventando un fisico alla Nottingham University, ma allo scoppio della guerra fu internato nell'Isola di Man...era un tedesco!19

Dopo il rilascio si arruolò nell'esercito britannico e alla fine divenne un sergente maggiore e fu inviato in India dove trascorse il resto della guerra, per lo più riparando carri armati.

Al termine del conflitto Eisner entrò alla Safety in Mines Research Establishment di Buxton, nel Derbyshire, di cui divenne direttore e dove rimase fino al 198120. Nel suo Health and Safety Executive's flame and explosion laboratory, accumulò una notevole esperienza negli incendi e nelle esplosioni in spazi ristretti, che gli fu fondamentale nello sviluppo, nel 1956, della schiuma ad alta espansione. Infatti, negli Stati Uniti, Will B. Jamison, ingegnere minerario della Pennsylvania, partendo dai risultati di Eisner testò per due anni 400 diversi surfattanti, con la collaborazione del U.S. Bureau of Mines, fino a trovare un composto adatto e brevettabile.

Durante la ricerca due importanti incendi minerari furono combattuti con notevole successo  con i sistemi che stava testando. Jamison dedicò ancora sei anni alla ricerca prima di cedere il brevetto, nel 1964 alla Walter Kidde & Company e assumere la guida dello sviluppo, all’interno della stessa compagnia, dei sistemi a schiuma ad alta espansione.

La schiuma ad alta espansione si forma spruzzando una soluzione diluita di un composto schiumogeno attraverso una rete metallica o di cotone con maglie da 1/8 a 1/4 di pollice. L'aria che passa attraverso la rete produce bolle di diametro compreso tra 1/2 e 1-1/2 pollici. Il fronte della schiuma erogata si muove in avanti, attorno agli angoli acuti, sopra gli ostacoli e attraverso i passaggi aperti al movimento dell'aria. Il rapporto di espansione della schiuma è di circa 1500 a 1. Il brevetto di Jaminson (US3186490A) prevedeva un sistema particolarmente adatto a combattere gli incendi nelle miniere e negli edifici dove l'incendio non è facilmente accessibile. Dove il fronte di fuoco è protetto dall'attacco dal muro di fiamme, fumo e calore o anche da ostruzioni, il "tappo" di schiuma generato dal sistema brevettato, avrebbe saturato l'ambiente propagandosi fino al cuore dell'incendio.

 

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Erano anni di notevoli sviluppi nell’ambito dei tensioattivi; mentre Jamison ed la Kidde proseguivano sulla loro strada, la National Foam, Inc. sviluppò la schiuma di fluoroproteina, un tensioattivo fluorurato che respinge l'olio e previene la contaminazione della schiuma (uno dei problemi cui sono soggetti gli estinguenti a schiuma).

Le schiume di fluoroproteine si realizzano utilizzando lo stesso metodo di quelle proteiche ma con l'aggiunta di tensioattivi fluorocarbonici. La loro aggiunta migliora le prestazioni della schiuma poichè rende la schiuma più resistente alla contaminazione e più fluida. Donald N. MeldrumJohn e R. Williams che presentarono per la National Foam Inc. il brevetto US3475333A, nella stessa domanda affermano che la loro schiuma

"è molto più efficace nell'estinguere gli incendi di liquidi idrofobici - come la benzina - in serbatoi in cui le schiume vengono introdotte da sotto la superficie del liquido in fiamme (come nei grandi serbatoi di stoccaggio, che possono essere dotati, alla base, di un ingresso per l'estinguente)”

I tensioattivi fluorurati aggiunti, se pur in concentrazioni troppo piccole per supportare la schiuma da soli, contribuiscono alla formazione delle schiume idrolizzate proteiche migliorandone la resistenza alla rottura (addirittura superiore a quella delle schiume basate sui soli tensioattivi fluorurati). Le schiume fluoroproteiche si dimostrarono efficaci anche se erogate su incendi che bruciano già da diverso tempo (cosa che non riuscivano a fare le altre schiume, non reggendo lo shock termico).

La concentrazione molto piccola di tensioattivo fluorurato nelle schiume idrolizzate proteiche le rendeva anche molto più resistenti alla rottura mediante polveri estinguenti come il bicarbonato di potassio o simili agenti estinguenti a polvere secca, che possono essere stati utilizzati in precedenza contro lo stesso incendio. Essendo poco il materiale fluorurato non contaminava in modo apprezzabile il liquido. La schiuma rompendosi in goccioline acquose che si depositano, lasciavano il liquido bruciato pronto per l'uso per la maggior parte degli scopi, al netto di una filtrazione per rimuovere la fuliggine formatasi durante la combustione.

Queste schiume dimostrarono di avere un alto grado di coesività e adesività, una stabilità per periodi di tempo più lunghi; questo le rendeva maggiormente resistenti al vento. Inoltre, a differenza delle precedenti potevano essere preparate sia partendo dall'acqua di mare o da acqua ad alto contenuto minerale, così come da acqua dolce.

In uno dei test realizzati per collaudare il sistema fu appiccato un incendio ad un serbatoio di acciaio di 6 metri di diametro e uno e mezzo di altezza aperto e fu caricato con 34000 litri di una miscela di carburante diesel e benzina. La schiuma fu iniettata alla base del serbatoio, dopo circa un minuto di combustione; l'incendio fu domato in due minuti e quaranta secondi e trenta minuti dopo l'estinzione una torcia accesa sulla parte superiore del serbatoio non ha causato la riaccensione, grazie all'effetto protettivo della coperta di schiuma.

Dieci anni dopo, sempre la National Foam Inc, presentò una schiuma sintetica sviluppata per materiali idrocarburi e  solventi polari (liquidi che estraggono l'acqua contenuta nella schiuma, rompendola). Questo tipo di concentrato schiumogeno è prodotto da una combinazione di tensioattivi idrocarburici e solventi.

Gli Aqueous Film Forming Foam e Alcohol Resistant Aqueous Film Forming Foam, rispettivamente noti con le sigle AFFF e AR-AFFF, producono schiume molto fluide con grande resistenza alla riaccensione.

Le performance di queste schiume sono dovute ai tensioattivi che permettono di creare la membrana acquosa o polimerica che, come una coperta, soffoca il fuoco separando combustibile da comburente.

Lo sviluppo chimico di queste miscele ha permesso di aumentarne il campo di applicazione in maniera consistente, da quando sono state sviluppate. Creare una schiuma chimica tuttavia diventa un processo progressivamente più sofisticato, richiedendo un controllo fine della miscelazione, aprendo uno spazio di ricerca e di mercato a vie diverse per la generazione della schiuma.

 

sviluppo della schiuma meccanica

Un ingrediente fondamentale della schiuma è l’aria; si pensò quindi, ad un certo punto, di insufflarla all’interno dei fluidi per potenziare la generazione delle schiume.

Un sistema di schiuma ad aria compressa è composto tipicamente da una pompa centrifuga che spinge dell'acqua e dell'agente schiumogeno a miscelarsi. Non abbiamo qui spazio per addentrarci nei dettagli ma se vi aspettate che basti spruzzare insieme questi due componenti per ottenere il risultato, rimarrete delusi. Un sistema a schiuma in generale e un sistema CAFS (Compressed Air Foam System ovvero un sistema di produzione per schiuma con aria in pressione) in particolare deve curare in maniera opportuna il dosaggio dello schiumogeno e deve permettere che i due composti si miscelino in maniera uniforme. L'ingegneria dei dosatori e delle camere di miscelazione è progredita assieme alla ricerca chimica, come abbiamo intravvisto nella descrizione di alcuni brevetti che abbiamo citato.

Un sistema di schiuma ad aria compressa in più deve dosare e miscelare anche l'aria insufflata. All'aria è anche demandato il compito di spingere la schiuma fuori dagli ugelli.

Un CAFS è in grado di fornire una gamma di schiume di diverse consistenze, dal tipo 1, molto secco, al tipo 5, umido, in funzione del rapporto aria-soluzione e, in misura minore, dalla percentuale di schiumogeno nell'acqua. Le schiume di tipo 1 e 2 hanno tempi di scarico lunghi, ovvero le bolle non scoppiano resistono più a lungo delle loro alternative umide. Ciascuna è adatta a particolari impieghi, dalla protezione dei materiali non ancora aggrediti dalla fiamme (con e schiume secche) alla soppressione (con le umide).

La capacità dei CAFS di generare schiume “secche” consente di operare anche su incendi difficili grazie alla capacità della schiuma di “aggrapparsi” anche a pendenze verticali e di resistere a lungo grazie al suo lento drenaggio.

 Ma come spesso accade con i sistemi tecnologicamente evoluti non ci sono solo lati positivi; i CAFS sono mediamente più costosi da acquistare, implementare e mantenere e possono più facilmente incorrere in guasti. I tubi flessibili riempiti con CAFS hanno maggiori probabilità di scoppiare sotto il calore perché la schiuma non è in grado di raffreddarli sufficientemente ed hanno una maggiore incidenza di intasamento e diminuzione della pressione.

Fin dagli anni ’30, Rudolf Schnabel brevettò diversi sistemi per la miscelazione sotto pressione dell'aria o di altro gas di una soluzione schiumogena, per conto della Pyrene Minimax Corp21.

In particolare nel brevetto US1874209A del 30 agosto 1932, Schnabel propose un processo di produzione della schiuma che consisteva nell'immettere il liquido insieme ad aria o qualsiasi altro gas in un apparato in cui i due componenti venissero posti in movimento vorticoso. Nel sistema di Schnabel entrambi gli agenti, liquido e gas, devono essere introdotti nell'apparecchio sotto pressione.

Sistemi derivanti da questo brevetto furono costruiti e venduti sia in Germania, sia in Inghilterra ma principalmente la schiuma veniva usata per abbattere la polvere nelle miniere di carbone.

All'incirca nello stesso periodo Wagener ha proposto il primo apparecchio che si può definire come precursore della maggior parte delle attrezzature in uso oggi per la produzione della schiuma per insufflaggio di aria.

Nel brevetto inglese GB254285A presentato per conto di Excelsior Feuerloeschgeraete AG nel 1926, la schiuma era prodotta fornendo alla soluzione di saponina, una corrente di aria compressa o gas che è stata suddivisa molto finemente per passaggio attraverso un elemento poroso, che Wagener suggeriva potesse essere un corpo costituito da strati di amianto poroso di calibro fine, o altro materiale che può essere comprimibile per dare la porosità desiderata. Alla soluzione di saponina potevano essere aggiunte composizioni antigelo o estinguenti. Il gas sarebbe stato prodotto con metodi chimici.

Wagener ed altri che seguirono questa via erano, ai loro tempi, ancora limitati dalla mancanza di agenti schiumogeni adeguati per ottenere un volume di schiuma sufficiente, con una stabilità paragonabile a quella della schiuma chimica, e questo limitò il successo di questo approccio.

Diventò evidente che, al fine di sfruttare questo metodo di produzione della schiuma, che aveva numerosi vantaggi rispetto alla produzione di schiuma chimica (semplicità delle attrezzature, continuità operativa, etc.) sarebbe stato necessario ideare un diverso tipo di agente schiumogeno che si “gonfiasse” più rapidamente.

Furono sperimentati diverse sostanze fino ad arrivare a soluzioni efficaci nella seconda metà degli anni ’30 che vennero prodotte e utilizzate su scala crescente in Germania in Inghilterra.

La prima testimonianza è documentata in un articolo del 1938 sulla rivista britannica “The Fireman” relativa al “Pneumasuds” un’apparecchiatura antincendio prodotta dalla Merrywheather e installata a bordo della lussuosa nave passeggeri Patricia. Il sistema era dotato di un motore elettrico, una pompa a pistoni a doppio effetto per l’acqua, un compressore rotativo per l’aria, una piccola pompa per la schiuma, un apparecchio venturi e un serbatoio per la soluzione schiumogena.

Il motore elettrico aveva una potenza di 7 hp a 1350 giri al minuto. Il sistema era in grado di pompare circa 200 litri al minuto di acqua e 1100 litri al minuto di aria consentendo al Pneumasuds di erogare 800 l/min di schiuma attraverso una o più uscite equipaggiate con delle manichette di tela della lunghezza di 30 metri.

In quegli anni, soluzioni dal 2,5 al 4% di un agente proteinico concentrato in acqua dolce erano in grado di  produrre schiume con rapporti di espansione tra 12 e 18 a 1. La schiuma non era, tuttavia, così stabile come la schiuma chimica, e si rompeva più rapidamente sotto l’azione del calore.

Inoltre non si sposava bene con l’acqua salata, né era resistente all'alcol.

Nel 1937, Weissenborn  che lavorava per Sthamer ad Amburgo, produsse un concentrato che chiamò "Schaumgeist", o schiuma fantasma, a causa del suo potere di persistere in forma scheletrica per ore dopo che l'acqua era drenata o evaporata22. Questo composto consisteva di due soluzioni, una  concentrato di proteine idrolizzate – l’agente schiumogeno - e una soluzione di solfato ferroso – come stabilizzatore – mescolate tra loro poco prima di essere impiegate.

La tecnologia del CAFS ebbe ulteriori sviluppi durante la Seconda Guerra Mondiale sia in marina che in aereonautica. Le Forze Armate adottarono la schiuma meccanica per combattere incendi di petrolio e benzina, dando impulso all sviluppo di soluzioni schiumogene di origini diverse: dalla soia, come la “Bean Soup” di Julian, alle arachidi o semi di cotone ma anche concentrati di proteine di pesce , gomma karaya, mais, etc..

Il primo brevetto di una schiuma meccanica resistente agli alcool risale al 10 settembre 1935, ma il primo prodotto di successo è dovuto a Daimler e Paquin  nel 1940, che hanno prodotto un concentrato costituito da proteine idrolizzate e un sapone a base di zinco, in una soluzione di ammoniaca, che, tuttavia, oltre a presentare una bassa espansione era corrosivo e deteriorabile durante lo stoccaggio.

In Europa, negli anni ’40, erano ditte tedesche come la Fladerer e Magirus che esploravano la via dei sistemi a schiuma meccanica e la sconfitta del III Reich provocò una interruzione degli studi, mentre i progetti venivano requisiti dalle potenze vincitrici.

Il Royal Engineering Handbook on the Use of Foam Fire-Fighting Equipment, britannico, del 1941 descrive in dettaglio un sistema di schiuma ad aria compressa utilizzato per combattere gli incendi.

La U.S. Navy esplorò il concetto nel 1947. Utilizzando un compressore d'aria che produceva la stessa pressione (statica) di quella della pompa dell'acqua, la Marina scoprì che due agenti, schiumogeno e aria, si sarebbero facilmente miscelati23. È stato creato un sistema in grado di generare schiume di diverso tipo regolando il rapporto aria/soluzione.

Dopo la seconda guerra mondiale, quando ricoprire di schiuma una pista prima dell'atterraggio di un aereo, che avesse segnalato un malfunzionamento del carrello di atterraggio, era una pratica comune, ci sono rapporti dalla Svezia che le loro autopompe usassero un sistema di tipo CAFS. Ma con il passaggio negli anni '60 dalla schiuma proteica alle schiume Film Forming per incendi di classe B, anche il settore dell'aviazione e l'esercito si allontanarono dall'uso della CAFS nelle loro operazioni24.

A metà degli anni '70 Mark Cummins stava lavorando con suo fratello, che aveva avviato una società che si occupava di sicurezza antincendio. I due fratelli erano, per così dire, figli d'arte essendo cresciuti tra i giacimenti petroliferi del Texas occidentale, dove il padre, Phil, combatteva gli incendi di petrolio. Uno dei loro clienti era un deposito di legname e i suoi proprietari volevano un sistema antincendio facile da usare e che potesse essere montato su un camioncino e portato là dove serviva. Cummins Senior aveva inventato il "FireBoss", un'unità gemella che utilizzava polvere secca in una linea e un agente schiumogeno in un'altra ma non era esattamente quello di cui avevano bisogno. Inoltre, i sistemi a schiuma erano ancora troppo complessi e costosi per quell'applicazione.

“È così che abbiamo inventato la piccola unità CAFS…" 

ricorda Cummins

"Era davvero una lattina di crema da barba, un contenitore pressurizzato con acqua saponata e aria. Era un sistema semplicissimo".

Nel 1976, il sistema divenne noto come WEPS - water expansion pumping system. Si trattava di un miglioramento del Texas Snow Job, introdotto nel 1972, che ne estendeva l’autonomia mantenendo intatta la filosofia di base. Era un dispositivo volto ad ottenere il risparmio idrico, convertendo oltre mille litri di soluzione in un volume 10 volte più grande  di schiuma.

Fino ad allora gli impianti a schiuma utilizzavano ugelli complessi e costosi appositamente progettati per l'introduzione di aria nell'agente schiumogeno e per agitare la miscela per produrre schiuma in corrispondenza della testa dell'ugello. Questa tecnica richiedeva una grande quantità di pressione per pompare l'agente schiumogeno attraverso l'ugello e sistemi meccanici complessi che li rendevano difficili da manovrare oltre che complessi e costosi da mantenere.

Nel dispositivo di Cummins l'aerazione e l'agitazione della soluzione generatrice di schiuma erano realizzate senza la necessità di ugelli appositamente progettati, inoltre era portatile e poteva essere utilizzato mediante manichette antincendio e pompe convenzionali.

"Un giorno, mentre stavo riempiendo quella cosa, il riempimento eccessivo ha creato una schiuma incredibilmente densa. La differenza nella schiuma che usciva dal tubo di sfiato era più simile alla crema da barba ... Mi sono reso conto molto rapidamente che la piccola dimensione della bolla era qualcosa di unico; Quello era l'inizio, e l'ho portato al Texas Forest Service; Avevano un urgente bisogno di metterlo sui loro bulldozer antincendio25".

Nel marzo 1982, Cummins ha ricevuto il brevetto US4318443A.

Il suo sistema impiegava agenti schiumogeni non specificamente progettati per l’antincendio. Il sapone di pino, ad esempio, un sottoprodotto della produzione della carta, era stato individuato come agente schiumogeno mescolato in 8 o 9 parti su 100 d’acqua, per un’erogazione fino a 110 litri al minuto. La durata dell’erogazione, nel brevetto di Cummins, era limitata dall'uso di bombole di aria compressa o altro propellente (come i gas inerti).

Tra gli agenti schiumogeni impiegati c’era anche il comune sapone per piatti per uso domestico, grazie alla sua disponibilità ed economicità. Il progresso nella ricerca consentì di sviluppare in seguito degli agenti dedicati. Tuttavia la contiguità tecnologica ebbe anche aspetti positivi; durante gli anni '80, dall'industria dell'autolavaggio sono arrivate innovazioni per massimizzare l'efficacia dell'acqua per la pulizia di auto e camion26.

Entro la metà degli anni '80, la ricerca deI Bureau of Land Management degli Stati Uniti, in collaborazione con Mark Cummins, ha portato a caratteristiche progettuali moderne di compressori d'aria rotativi, pompe centrifughe e sistemi di dosaggio della schiuma a iniezione diretta27.

Dopo più di tre decenni di ricerca, al Simposio CAFS del 2007 a Rosenberg, in Texas, Cummins affermò che c'è ancora molto da imparare:

 "Sento fortemente che sta iniziando a prendere piede",

ha detto, riferendosi ai CAFS,

" non è più una moda28."

 

una storia che continua

Quella delle schiume, come degli altri sistemi antincendio, è una storia che continua.

Negli ultimi anni si è assistito alla comparsa di "agenti bagnanti" e “agenti incapsulanti micellari”, ovvero liquidi concentrati che, aggiunti all’acqua nella debita proporzione, riducono la tensione superficiale dell’acqua stessa e ne aumentano la capacità impregnante e di spandimento e, nel caso dei secondi, di neutralizzazione ed incapsulamento delle molecole di idrocarburi. D’altra parte sono emerse problematiche di sostenibilità ambientale; le schiume sono miscele di solventi, tensioattivi, idrocarburi e inibitori di corrosione che possono causare irritazione agli occhi e alla pelle, al contatto e irritare le vie respiratorie superiori. I concentrati di schiuma possono causare rischi di scivolamento per i vigili del fuoco, possono defluire e contaminare sia le acque superficiali che quelle sotterranee e influenzare la fauna selvatica.  Le schiume possono interrompere il funzionamento degli impianti delle acque reflue e le stazioni di pompaggio, provocando il ristagno o lo scarico delle acque reflue grezze. Tutto questo riguarda, però, il futuro e quindi esula dai confini di questa collana di articoli29.

Siamo, così, giunti alla fine di questo, spero, spumeggiante viaggio nella storia degli impianti schiuma e mi sembra giusto concludere da dove siamo partiti, con la domanda che si poneva Maxwell recensendo il testo di Plateau: Riuscirà la poesia delle bolle a sopravvivere a questo?

 

 

Note


[1] Nel 1829, Plateau presentò la sua tesi di dottorato al suo mentore Adolphe Quetelet per un consiglio. Conteneva solo 27 pagine ma formulava un gran numero di conclusioni fondamentali. Conteneva i primi risultati della sua ricerca sull'effetto dei colori sulla retina (durata, intensità e colore), la sua ricerca matematica sulle intersezioni di curve rotanti ( locus ), l'osservazione della distorsione delle immagini in movimento e la ricostruzione di immagini distorte attraverso dischi controrotanti (ha soprannominato questi dischi anortoscopici ). Nel 1832, Plateau inventò uno dei primi dispositivi stroboscopici , il " fenachistiscopio", il primo dispositivo per dare l'illusione di un'immagine in movimento. Consisteva di due dischi, uno con piccole finestre radiali equidistanti, attraverso le quali lo spettatore poteva guardare, e un altro contenente una sequenza di immagini. Quando i due dischi ruotavano correttamente la velocità, la sincronizzazione delle finestre e delle immagini creavano un effetto animato. La proiezione di fotografie stroboscopiche, creando l'illusione del movimento, portò infine allo sviluppo del cinema.

[2] In matematica, il problema di Plateau consiste nel dimostrare l'esistenza di una superficie minima corrispondente ad un determinato bordo. Il problema fu proposto da Lagrange nel 1760, tuttavia prende il nome da Plateau, che fece esperimenti su questo tema tramite bolle di sapone.

[3] Come Maxwell, anche Michael Faraday scrisse a Plateau, a proposito della sua cecità, rallegrandosi del fatto che lo spirito speculativo compensi allo scienziato belga la mancanza della vista.

[4] La prima edizione di Bolle di sapone apparve nel 1890 e la seconda nel 1911; è rimasto in stampa fino ad oggi

[5] La differenza di tensione superficiale crea un gradiente, che attira fluido dalle aree a minore tensione superficiale alle aree a maggiore tensione superficiale. Questo fenomeno fu identificato per la prima volta nelle cosiddette " lacrime di vino " dal fisico James Thomson ( fratello di Lord Kelvin ) nel 1855. L'effetto generale prende il nome dal fisico italiano Carlo Marangoni , che lo studiò per la sua tesi di dottorato presso l' Università di Pavia e pubblicato i suoi risultati nel 1865. Una trattazione teorica completa del soggetto è stato dato da J. Willard Gibbs nella sua opera sull'equilibrio delle sostanze eterogenee (1875-8).

[6] questo evento è noto come slop-over

[7] Secondo la definizione di John Kelly su The Washington Post "Elmer R. Gates è stato lo scienziato più brillante di cui non hai mai sentito parlare". Si considerava essenzialmente uno psicologo e ha studiato il modo in cui le emozioni influenzano il respiro umano. Alcune delle teorie di Gates all'epoca stravaganti sono in seguito state in parte riprese. Aveva 43 brevetti a suo nome e oltre all'estintore a schiuma tra le sue invenzioni si trovano separatori di minerali, un condizionatore d'aria, un ferro da stiro elettrico. Ha sperimentato con i raggi X, le leghe metalliche, i telai azionati elettricamente, ha ideato strumenti per sviluppare abilità muscolari, ha creato repliche indoor di sistemi meteorologici e alla fine del 1800 ha inventato un sintetizzatore di musica elettronica. Addestrando i cani a camminare lungo un corridoio buio dove le piastrelle di certi colori erano elettrificate, è diventato forse il primo ricercatore a usare il rinforzo negativo. Per le sue ricerche sul cervello e la psiche ha fatto respirare persone in vari stati emotivi in ​​un tubo di vetro, ha raccolto la condensa, l'ha trattata con vari agenti ed ha esaminato il precipitato scoprendo che lo stato emotivo di una persona poteva influenzare la chimica del suo corpo. Fu lui ad inventare uno dei primi giochi con cui probabilmente avete trascorso il tempo da bambini, una scatola il cui coperchio aveva fori di diverse forme  e un assortimento di blocchi di forme corrispondenti. Una sinossi del 1904 del suo lavoro elencava trentacinque linee di ricerca inventiva in cui erano stati ottenuti risultati.

[8] Le schiume antincendio si possono formare in base a due principi, uno chimico, come abbiamo visto più sopra, derivante dall'interazione di sostanze che liberano gas, tipicamente anidride carbonica, e la intrappolano nell’agente schiumogeno, le cui pareti sono rafforzate da altri componenti della miscela, oppure per miscelazione di una soluzione acquosa di un agente schiumogeno liquido con un gas sotto pressione o con altri mezzi meccanici.

[9] bicarbonato di sodio e solfato di alluminio, in presenza di umidità tendevano ad agglomerare. Per ovviare a questo problema furono sviluppati diversi  metodi per migliorare lo stoccaggio della polvere, che prevedevano la miscelazione con materiali inerti come pomice, talco, argilla cinese o farina.

[10] Tra le sostanze proposte e brevettate ci sono la liquirizia e saponina, già impiegate da Loran , estratto di quebracho, un essenza legnosa già impiegata nella concia al vegetale delle pelli e nella tintoria, estratti della cellulosa e composti solfonati ma anche estratti di erba medica. Urquhart, propose le proteine della soia, che vedremo avranno un importante applicazione.

[11] Le saponine si trovano in particolare nella saponaria, una pianta da fiore, e nell'albero della corteccia della Quillaja saponaria. La natura anfipatica delle saponine, ovvero il fatto di possedere proprietà sia idrofile che lipofile,  le rende degli ottimi tensioattivi

[12] Le principali proprietà delle schiume antincendio includono la capacità di controllare e spegnere gli incendi, soffocandoli, ma anche la loro capacità di espansione (il rapporto in volume tra il liquido di partenza e quello occupato dalla schiuma), la capacità, una volta formata, di resistere al calore senza sgonfiarsi e mantenere il suo contenuto liquido, il numero, la dimensione e la forma delle sue bolle. Inoltre una schiuma si misura anche in base alla sua capacità di ricoprire gli oggetti su cui è spruzzata e di aderire alle pareti di questi. Infine sono dei criteri importanti la fluidità – ovvero  la capacità della schiuma di essere proiettata e fluire su ciò che sta bruciando – e la resistenza alla contaminazione.

[13] Appleton era una sundown town ovvero comuni o quartieri completamente bianchi negli Stati Uniti che praticano una forma di segregazione razziale escludendo i non bianchi attraverso una combinazione di leggi locali discriminatorie, intimidazioni e/o violenza. Intere contee  sundown  e periferie sundown sono stati create dallo stesso processo. Il termine deriva da cartelli affissi che indicavano che le persone di colore  dovevano lasciare la città entro il tramonto. 

[14] Né Julian, né nessun altro nel 1936, avevano idea di che potenza sarebbe diventata la pianta con cui si sarebbe dovuto cimentare: la soia.

Oggi la soia è uno dei pilastri dell'agricoltura americana, seconda solo al mais tra le maggiori colture ed è utilizzata in un'ampia gamma di prodotti, dal cibo e medicine alla carta e alla plastica. A dare il via a queste sperimentazioni fu Henry Ford che piantò migliaia di acri di semi di soia e, accanto alla sua fabbrica di automobili a Dearborn, costruì un laboratorio e una fabbrica di lavorazione della soia da cui uscirono vernici, oli lubrificanti e materie plastiche a base di soia. Presto altri industriali seguirono l'esempio di Ford, costruendo impianti di lavorazione della soia in tutto il Midwest. Uno dei primi ad abbracciare il "fagiolo miracoloso" è stato il nuovo capo di Percy Julian, Adrian Joyce della Glidden Company. Sotto Joyce, Glidden era cresciuta da un unico negozio di vernici a Cleveland in uno dei principali produttori di vernici della nazione.

[15] Nel 1940, Julian inviò un pacchetto da una libbra di progesterone alla società farmaceutica Upjohn. Spedito sotto scorta armata e del valore di quasi $ 70.000, è stata la prima spedizione commerciale di un ormone sessuale artificiale prodotto ovunque in America. Presto seguirono testosterone e altri ormoni sessuali artificiali, portando a Glidden milioni di dollari di entrate inaspettate.

[16] Julian fu nominato nei consigli di amministrazione di una mezza dozzina di college e università, inondato di premi e lauree honoris causa e ricercato come oratore pubblico. La sua famiglia cresceva e poterono finalmente cambiare casa. I Julian scelsero Oak Park, uno dei sobborghi più ricchi ed esclusivi di Chicago. I pochi afroamericani che vivevano a Oak Park lavoravano come servi e braccianti. Prima che si trasferissero, il Giorno del Ringraziamento del 1950, la loro casa subì un tentativo di incendio doloso. Successivamente, dopo che si erano trasferiti, la casa fu attaccata con la dinamite il 12 giugno 1951. Gli attacchi galvanizzarono la comunità e un gruppo comunitario fu formato per sostenere i Julians.  Il figlio di Julian in seguito raccontò che durante questi periodi lui e suo padre spesso continuavano a sorvegliare la proprietà della famiglia sedendosi su un albero con un fucile da caccia “Una volta iniziata la violenza, io e Anna abbiamo sentito di non avere altra scelta che restare. Andarsene sarebbe stato codardo e sbagliato. Il diritto di un popolo di vivere dove vuole, senza paura, è più importante della mia scienza. Ero pronto a rinunciare alla mia scienza e alla mia vita per porre fine a questo terrorismo insensato.”

[17] Nel 1949  Philip Hench, della Mayo Clinic, ha presentato i risultati quasi miracolosi del cortisone sui malati di artrite reumatoide. Hench aveva eseguito i suoi test con pochi grammi preziosi di cortisone inviati da Lewis Sarett, un giovane chimico della Merck che aveva lavorato per anni per sintetizzare il cortisone dalla bile dei buoi macellati secondo un percorso chimico estremamente complesso; sarebbero state necessarie migliaia di carcasse di bovini per produrre abbastanza cortisone per curare un singolo paziente per un anno. Julian sperava di produrre cortisone dai semi di soia, proprio come aveva fatto con gli ormoni sessuali. La carenza di cortisone divenne una crisi, poiché il prezzo superò i $ 4.000 l'oncia, cento volte il prezzo dell'oro. Nonostante la Glidden decidesse di abbandonare la ricerca, il metodo sviluppato da Julian condusse ad un soffio dalla meta. Alla fine del 1953, Percy Julian lasciò la Glidden e fondò la sua azienda chimica a Franklin Park, fuori Chicago. i Julian Laboratories avrebbero prodotto steroidi intermedi, composti che spesso erano solo un passo rispetto a un prodotto finito. Dovette lottare ancora, questa volta anche contro la concorrenza sleale della Syntex, che tentava di escludere Julian dall’approvvigionamento della materia prima per le sue produzioni, l'igname messicano. “E poi è successa una cosa strana. Qualcuno bussò alla porta ed entrò un uomo di nome Abraham Zlotnik, un uomo che avevo aiutato a uscire dalla Germania di Hitler. Ha detto che era sicuro che l’igname  crescesse in Guatemala e si è offerto volontario per fare una spedizione per me. Gli ho detto che ero al verde, rovinato. Non sapevo quando avrei potuto ripagarlo. Ma lui ha detto: "Mi hai già ripagato". Zlotnik ha trovato la radice del barbasco, un igname selvatico, in Guatemala e in un anno Julian e i suoi chimici hanno trovato un modo per quadruplicare la resa di un prodotto sul quale erano a malapena in pareggio. Voleva fare soldi, ma voleva anche che i farmaci fossero disponibili per chi ne avesse bisogno.

[18] Per i suoi contributi all'umanità, Julian ha ricevuto 18 lauree honoris causa e più di una dozzina di premi civici e scientifici, fino a che nel 1973 Julian fu finalmente eletto a membro della National Academy. “Sento che il mio buon paese mi ha privato della possibilità di vivere alcune delle grandi esperienze che mi sarebbe piaciuto vivere. Invece, ho accettato un lavoro in cui potevo trovarne uno e ho cercato di sfruttarlo al meglio. Forse sono stato un buon chimico, ma non il chimico che sognavo di essere.” Nell'aprile 1975, una settimana dopo il suo 76° compleanno, Percy Julian morì di cancro. Ogni anno, il servizio postale degli Stati Uniti emette un francobollo commemorativo per onorare un leader afroamericano. Nel 1993, la scelta fu Percy Julian.

[19] In quel campo erano internati diversi ebrei tedeschi o austriaci sfuggiti alle persecuzioni hitleriane, sotto la classificazione di "nemici stranieri".

[20] Eisner era anche uno scrittore affermato. Nel 1951 partecipò al concorso di racconti natalizi dell'Observer e arrivò secondo; il primo premio è andato a Muriel Spark, diventata poi un'affermata scrittrice e poetessa britannica. Eisner ha poi pubblicato un libro per bambini, The Monster Plant nel 1974, e negli anni '60 ha scritto diverse commedie per Radio 4. Nel 1963 la sua opera The Reading Room è stata trasmessa su ITV, con una giovane Susan Hampshire. Ha anche scritto le sue memorie in forma di un romanzo, cambiando nome e sostenendo che il 95% di quanto scritto fosse vero, senza mai rivelare quale 5% fosse stato inventato.

[21] l’idea originale era dello stesso Loran che aveva proposto l’impiego di un agente schiumogeno super-saturo in cui insufflare del gas sotto pressione

[22] A tutt’oggi la Schaumgeist è ancora una linea di schiume della Sthamer (cfr. https://www.sthamer.com/de/protein_schaum_loeschmittel.php)

[23] È fondamentale che le pressioni statiche siano uguali o leggermente più elevate sul lato della soluzione di schiuma. Se fosse l'aria ad essere ad alta pressione, sostituirebbe l'acqua e soffiare sul fuoco non è una buona idea per spegnere un incendio.

[24] Inoltre, fino all’avvento dell’elettronica esistevano seri limiti dei sistemi di sincronizzazione e controllo fine delle caratteristiche della schiuma.

[25] Cummins ha affermato di aver svolto ricerche su CAFS da allora, applicando la tecnologia agli incendi di miniere, discariche, incidenti con materiali pericolosi e altre applicazioni.

[26] Un caso di trasferimento tecnologico inverso è stato quello che ha visto la proposta di utilizzo dei CAFS, in caso di epidemia di influenza aviaria per sopprimere in massa (in conformità con le condizioni e gli standard di prestazione delineati dai servizi veterinari) animali potenzialmente infetti e ospitati in edifici strutturalmente malsani che sarebbero pericolosi per l'ingresso umano. Per un approfondimento si veda https://www.mdpi.com/2076-2615/8/5/61/htm

[27] I CAFS hanno ricevuto l'attenzione nel 1988 durante gli incendi del Parco di Yellowstone, quando l' Old Faithful Inn a quattro piani è stato protetto con successo coprendolo con schiuma di aria compressa.

[28] Nella primavera del 1994, un’autoopompa dimostrativa che montava un CAFS a bordo da WS Darley & Co., è stato guidato da costa a costa in Nord America con lo scopo di promuovere questa tecnologia allora relativamente nuova presso i servizi antincendio degli Stati Uniti e del Canada. Darley Co. aveva già collaborato con Cummins per un altro veicolo dimostrativo WEPS.

[29] Sul blog Mozzanica la trattazione del futuro dei sistemi antincendio è affidato alla collana TRL7 a cui rimandiamo il lettore.

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