Per una rivoluzione tecnico-scientifica

di Giorgio Nebbia

(Parte I)

 

 

Il mondo degli oggetti

Lo sviluppo umano è basato, direttamente o indirettamente, su oggetti materiali: alimenti, metalli, abitazioni, strumenti di telecomunicazione, macchine, mezzi di trasporto, mobili, carta, vetro, cemento, prodotti chimici, carburanti, e tanti altri.

Tutti gli oggetti vengono tratti da materiali, da risorse, offerti dalla natura -- il legno, la sabbia, le pietre, l'aria e l'acqua, i combustibili fossili, il sale, i minerali, i vegetali, gli animali -- che vengono trattati e trasformati mediante processi e cicli produttivi, tecnologici, sviluppati nel corso di secoli, ma con maggiore intensità nei recenti decenni.

Nel corso della trasformazione delle risorse naturali in oggetti utili si formano residui, scorie, sottoprodotti, solidi, liquidi o gassosi, che vengono in gran parte immessi nell'aria, nelle acque, nel suolo, cioè nei grandi corpi riceventi naturali, talvolta modificandone profondamente e negativamente la composizione.

Gli oggetti, le merci, passano a questo punto ad un processo di "consumo". Il termine è improprio perché gli esseri umani non consumano gli oggetti con cui vengono a contatto, ma li usano, per un tempo più o meno lungo, dopo di che gli oggetti e le merci usati vengono buttati via e finiscono anch'essi nei corpi riceventi naturali.

Questi, per quanto grandi siano, non sono illimitati: ciascuno --- un fiume, un lago, il mare, l'aria --- ha una sua capacità ricettiva --- "carrying capacity" --- limitata per i rifiuti che vi vengono immessi. Molte modificazioni della composizione chimica e dei caratteri fisici dei corpi della natura possono arrecare danni alla salute umana, alla vegetazione, possono limitare la stessa efficienza dei processi produttivi.

Tutte le attività umane, insomma, sono basate su una grande circolazione di materia e di energia dalla natura, ai processi di produzione, a quelli di "consumo" e infine di nuovo alla natura, una circolazione natura---oggetti---natura. Il ritorno alla natura può avvenire in tempi brevi o in tempi lunghi. Gli alimenti vengono "bruciati" nel corpo umano o animale nel corso di poche ore; la carta dei giornali viene buttata via poche ore dopo l'uso; le macchine, i mobili, i televisori possono svolgere la loro "vita utile" per mesi o anni. Molti edifici restano in funzione per decenni.

La "tecnosfera", cioè l'insieme degli oggetti fabbricati e usati dagli esseri umani, si dilata continuamente. Si pensi che ogni anno la tecnosfera nel mondo è attraversata da circa 60 miliardi di tonnellate di materiali: combustibili fossili, alimenti, prodotti forestali, minerali, materiali da costruzione, eccetera; da 3 a 5 miliardi di tonnellate di tali materiali restano fissati per tempi lunghi.

Le sostanze liquide, solide, gassose che vengono immesse nell'ambiente in seguito ai processi di produzione e di uso degli oggetti sono di diversissima natura: alcune sono molto ingombranti ma di limitato disturbo ambientale --- i residui della demolizione di edifici --- altri manifestano effetti tossici anche in piccolissima quantità (è il caso del mercurio) per cui la valutazione delle modificazioni negative della biosfera --- e lo sviluppo di mezzi per evitarle introducendo tecnologie pulite al posto delle attuali --- richiedono accurate conoscenze delle quantità, della natura chimica e fisica, e degli effetti di ciascuna scoria che si forma in ciascun processo.

Come sviluppare tecnologie e oggetti puliti

Il primo passo da fare è condurre una analisi del bilancio di materia ed energia che entra in ciascun ciclo produttivo. Attualmente tale analisi viene fatta misurando il costo monetario delle materie prime e del processo di trasformazione; l'analisi economica in genere non tiene conto dei residui di ciascun processo, a meno che non si debba agare per liberarsi di tali rifiuti.

Lo sviluppo di tecnologie pulite richiede l'elaborazione di una contabilità in unità fisiche di tutti i materiali che entrano in ciascun ciclo di produzione e di consumo e che ne escono come rifiuti. Si parla ormai di studi di "metabolismo industriale" analoghi a quelli che vengono condotti per misurare il metabolismo del corpo umano.

Vi sono già ricerche in questa direzione, ma il lavoro da fare è ancora molto grande. Una analisi dei cicli produttivi permetterebbe anche di identificare dei nuovi indicatori del valore, diversi dalle unità monetarie, che consentirebbero di confrontare vari processi e merci fra loro per riconoscere quelli meno dannosi per la vita umana e per l'ambiente naturale.

Uno di tali indicatori è il "costo energetico" degli oggetti fabbricati, definito come la quantità di energia necessaria per ottenere una unità di peso di ciascun prodotto: per esempio una tonnellata di ferro o di alluminio o di alcol etilico.

La misura del costo energetico non è facile: bisogna tenere conto della "qualità" termodinamica dell'energia impiegata. L'elettricità impiegata in molti processi, se è di origine termoelettrica, ha "dentro di se" un costo energetico, quello dei combustibili richiesti per generarla; l'elettricità di origine idroelettrica va "valutata" diversamente essendo ricavata da una fonte primaria rinnovabile come il moto dell'acqua. Molti processi sono alimentati con sottoprodotti agricoli o forestali, cioè con fonti energetiche rinnovabili. In prospettiva e in via di principio l'energia del vento o quella del Sole appaiono le più favorevoli.

Alcuni studi hanno permesso di identificare, per alcuni prodotti, il "costo in acqua", anche in questo caso definito come la quantità di acqua richiesta per ottenere una unità di peso di prodotto.

In via di principio "valgono" di più i processi tecnologici che consentono di ottenere una unità di peso di prodotto con minori consumi di energia e di acqua e un primo criterio guida verso tecnologie pulite dovrebbe essere quello di modificare i cicli produttivi realizzando un ricupero di molti sottoprodotti energetici e di parte delle acque usate, che spesso possono essere reimmesse nello stesso o in altri cicli produttivi. Si pensi all'acqua di raffreddamento di molti processi industriali che viene semplicemente scaldata di qualche grado rispetto alla temperatura in entrata.

Il terzo indicatore importante è il "costo ambientale" di ogni prodotto. Qui la definizione è più difficile perché l'effetto negativo sull'ambiente non deriva dall'emissione di una sola sostanza: in generale l'inquinamento è dovuto a più sostanze il cui effetto può essere esaltato, o attenuato, se sono presenti contemporaneamente. In prima approssimazione, e per alcuni fini ecologici e industriali, si può misurare il "costo ambientale" facendo riferimento alle emissioni di un particolare agente inquinante, per esempio, come sarà chiaro fra poco, alla quantità di anidride carbonica immessa nell'aria in seguito ad una combustione che genera una unità di energia. In questi casi si parlerà di kg di CO2 per megajoule di energia.

I processi di depurazione

 L'analisi del bilancio di massa dei materiali che entrano ed escono dai processi di produzione e di consumo mostra che si tratta di quantità grandissime.

Cominciamo ad analizzare il flusso di materiali associati all'uso dei combustibili fossili: nel mondo circa dieci miliardi di tonnellate all'anno di carbone, di petrolio e derivati e di gas naturale che liberano circa 350 exajoules di calore (circa 90 mila miliardi di kilocalorie, o 9 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio).

Il carbonio C contenuto nei combustibili fossili viene restituito, dopo la combustione, alla biosfera sotto forma, per lo più, di anidride carbonica CO2 in ragione di circa 3,5 tonnellate di CO2 per ogni tonnellata di C. I diversi combustibili fossili liberano differenti quantità di CO2, per unità di energia prodotta nella combustione: in grammi/MJ le emissioni sono 100 per il carbone, 80 per i prodotti petroliferi e 50 per il gas naturale. Per quanto si è detto poco prima, per questo particolare agente chimico il "costo ambientale" dell’uso del carbone è circa doppio rispetto a quello del gas naturale. Si tratta, come è ovvio, di "costi" in unità fisiche, che niente hanno a che fare con i costi monetari.

L'anidride carbonica immessa nell'atmosfera ogni anno nel mondo ammonta, da sola, a circa 30 miliardi di tonnellate e l'aumento della concentrazione di questo gas nell'atmosfera è responsabile di gran parte dei mutamenti climatici associati all'"effetto serra", il lento decennale aumento della temperatura della superficie terrestre. Altra anidride carbonica viene immessa nell'atmosfera in seguito alla scomposizione dei carbonati, per esempio durante la produzione del cemento, dell'acciaio, eccetera. E, naturalmente, dalla respirazione dei vegetali e degli animali, anche se in questo caso si tratta di CO2 che ritorna nell'atmosfera da cui era stata prelevata poco prima.

La preoccupazione per l'aumento della concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera è così grande che le Nazioni Unite hanno chiesto a tutti i paesi di diminuire le proprie emissioni di CO2 nell'atmosfera; questo si può ottenere sia diminuendo i consumi di energia -- ma questo ha effetti sull'economia e lo sviluppo --- sia usando (fin che ce n'è) gas naturale piuttosto che carbone, sia raccogliendo l'anidride carbonica ed evitando che finisca nell'atmosfera.

Si tratta di un campo di grande interesse e vi sono state varie proposte che meriterebbero di essere trasformate in processi industriali: alcuni hanno suggerito di raccogliere i gas emessi dai grandi impianti di combustione (centrali termoelettriche, raffinerie, industrie metallurgiche) e di immetterli, mediante tubazioni, negli oceani. In questo modo verrebbero anche eliminati altri gas inquinanti acidi (come gli ossidi di zolfo e di azoto) che il mare neutralizza facilmente e senza rilevanti alterazioni ecologiche.

La combustione dei combustibili fossili genera molti altri gas inquinanti dell'atmosfera: fra questi si possono ricordare gli ossidi di azoto e gli ossidi di zolfo che sono responsabili della crescente acidità delle piogge e quindi di danni alla vegetazione. Anche questi gas possono essere filtrati o raccolti su sostanze che li neutralizzano e i prodotti della filtrazione e neutralizzazione di tali gas possono fornire materiali di interesse commerciale, come acido solforico o concimi.

Per diminuire l'inquinamento dovuto ai composti dello zolfo è possibile eliminare tali composti dai prodotti petroliferi durante la raffinazione del petrolio: anche in questo caso è possibile ricuperare acido solforico e zolfo, sostanze economicamente importanti come materie prime.

La depurazione del gas naturale "acido", contenente acido solfidrico H2S, ha portato a sviluppare processi che permettono di eliminare l'acido ossidandolo in modo da ricuperare zolfo; ormai circa la metà dello zolfo prodotto nel mondo non è più ottenuto da giacimenti, ma è zolfo di ricupero industriale.

L'uso del carbone --- il combustibile fossile di cui esistono nel mondo le riserve più abbondanti --- comporta immissione nell'aria di polveri e di composti solforati e lascia come residui grandi quantità di ceneri costituite da ossidi e sali inorganici. Lo sviluppo di processi di gassificazione sotterranea (iniezione nei giacimenti sotterranei di aria e vapore acqueo che provocano la combustione parziale sotterranea del carbone) consentirebbe di far arrivare in superficie una miscela di gas combustibili privi di ceneri e facilmente depurabili, che potrebbero essere immessi nei metanodotti tradizionali.

Non si deve dimenticare che, nel corso della storia della tecnica, varie iniziative per evitare l'inquinamento industriale, come quello dei primi processi per la fabbricazione del carbonato sodico, hanno spinto a creare processi meno inquinanti e più efficienti anche economicamente addirittura a utilizzare nuove materie e merci.

Anche molte forme di inquinamento delle acque possono essere eliminate con tecnologie di depurazione che addirittura consentono il ricupero di materiali commerciali: per esempio i processi di depurazione delle acque delle fogne urbane generano dei fanghi organici che possono essere usati come concimi o che possono essere sottoposti a processi di fermentazione con produzione di metano (biogas).

Tecniche per prevenire l'inquinamento

Lo sviluppo di tecnologie pulite dipende non soltanto dalla filtrazione o scomposizione dei rifiuti, dopo che si sono formati, ma anche dallo sviluppo di processi produttivi o di oggetti che generano una minore quantità di rifiuti.

Dove sono disponibili riserve di energia idroelettrica alcuni processi produttivi che attualmente sono basati sui combustibili fossili potrebbero essere condotti usando l'elettricità. Con l'elettricità è possibile scomporre l'acqua e ottenere idrogeno da usare come agente riducente al posto del metano o dell'ossido di carbonio, usati attualmente consumando combustibili fossili.

Per esempio è possibile trattare i minerali di ferro con un processo di riduzione con idrogeno elettrolitico e ottenere poi, dal minerale preridotto, acciaio in forni elettrici, nei quali il minerale preridotto può anche essere miscelato con rottami di ferro ottenuti dal ricupero di materiali ferrosi usati.

Già oggi l'alluminio viene ottenuto con un processo elettrolitico e così il fosforo dai minerali fosfatici. L'ammoniaca sintetica può essere prodotta con idrogeno elettrolitico. combinato con l'azoto separato dall'aria, con compressori azionati anch'essi con energia elettrica.

Una volta che siano disponibili conoscenze accurate sui materiali trattati e sui cicli produttivi, è possibile applicare -- o inventare -- accorgimenti tecnici "puliti", mirati al preciso scopo di diminuire l'inquinamento ambientale.

Da molti anni varie agenzie delle Nazioni Unite incoraggiano lo studio e la sperimentazione di "tecnologie senza rifiuti" (No-waste technologies). Sono disponibili ormai molti volumi contenenti i risultati degli studi condotti e la rassegna dei problemi ancora aperti. Qualsiasi nuova soluzione da luogo a processi e brevetti esportabili in altri paesi e crea ricchezza e nuova occupazione.

Si sta diffondendo una "filosofia" mirante a iniziative con "zero-rifiuti", o ZERI. Per quanto sia impossibile, per elementari ragioni termodinamiche e chimico-fisiche, produrre e usare merci con "zero-rifiuti", si tratta comunque di un possibile provocazione e stimolo verso innovazioni che ci facciano uscire almeno da alcune delle molte trappole in cui la miopia tecnologica del passato ci ha fatto cadere.

Risorse naturali rinnovabili

Le risorse naturali usate come fonti di energia e di materiali per i processi industriali non sono tutte uguali: alcune provengono da minerali e fonti fossili che, una volta utilizzati, non potranno più essere ricostituite, sono cioè non rinnovabili. Anche la dipendenza da risorse naturali esauribili e non rinnovabili può essere considerata un indicatore del "costo ambientale" dei processi e dei manufatti, di cui si parlava prima.

Ai fini dello sviluppo di tecnologie pulite un ruolo importante svolgeranno in futuro le risorse naturali rinnovabili, tutte, direttamente o indirettamente, legate all'energia che il Sole irraggia continuamente, in quantità grandissima, sulla superficie della Terra.

L'energia solare che raggiunge le terre emerse ammonta, ogni anno, all'equivalente di circa un milione di exajoules (25.000 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio), circa tremila volte l'energia consumata dagli esseri umani in un anno.

L'energia solare tiene in moto il ciclo dell'acqua che, con le sue evaporazioni e condensazioni, scorre sulle terre emerse, ogni anno, in ragione di 40.000 miliardi di tonnellate. Tale flusso di acqua, superando i dislivelli delle montagne e valli, ha, "dentro di se", una energia potenziale equivalente a centomila miliardi di kilowattore, otto volte di più di tutta l'energia elettrica prodotta nel mondo in un anno, cinquanta volte di più di tutta l'energia idroelettrica utilizzata nel mondo ogni anno. Vi sono quindi ancora, soprattutto nelle zone equatoriali e in quelle artiche, grandi riserve potenziali di energia idroelettrica inutilizzata, che torna disponibile ogni anno.

L'energia solare crea, fra le varie zone della Terra, le differenze di temperatura che generano il vento, anch'esso utilizzabile come fonte di energia rinnovabile. Col calore solare è possibile scaldare edifici, azionare pompe per il sollevamento dell'acqua, frigoriferi e condizionatori d'aria, e distillare l'acqua di mare per ottenere acqua dolce in quantità di 1000 litri all'anno per ogni metro quadrato di distillatore solare.

E’ possibile trasformare la radiazione elettromagnetica solare direttamente in elettricità con impianti fotovoltaici, ormai prodotti industrialmente, capaci di generare ogni anno 100 kilowattore per ogni metro quadrato di superficie delle fotocelle solari.

Ma il principale contributo che l'energia solare può dare alla tecnologia e alla soluzione di problemi umani è legato alla fotosintesi con la quale la radiazione solare fa combinare, nelle parti verdi dei vegetali, l'anidride carbonica e l'acqua producendo zuccheri, amidi, grassi, cellulosa, lignina, proteine, cioè le materie della biomassa vegetale.

La produttività primaria netta, cioè la materia secca prodotta ogni anno dal Sole nei vegetali, ammonta a circa 100 miliardi di tonnellate, un peso molte volte superiore a quello di tutti i prodotti agricoli, minerari, forestali, e dei combustibili fossili utilizzati in un anno dagli esseri umani.

Le sostanze chimiche presenti nella biomassa vegetale e animale rappresentano una importante riserva e fonte di materie prime industriali, come del resto è avvenuto per secoli. Il declino dell'uso della biomassa come fonte di materie prime si è avuto con i perfezionamenti dei processi di raffinazione del petrolio e con la nascita dell'industria petrolchimica, a partire dagli anni cinquanta.

Per via sintetica è stato possibile ottenere un gran numero di nuove sostanze: le materie plastiche hanno sostituito i prodotti cellulosici e le pelli; la gomma sintetica ha portato via una parte del mercato alla gomma naturale; le fibre sintetiche hanno sostituito le fibre naturali.

Col passare del tempo si è visto che molti nuovi processi avevano effetti negativi sull'ambiente e che molti nuovi prodotti erano di difficile smaltimento dopo l'uso. Inoltre pochi grandi paesi industriali, con le loro produzioni sintetiche, hanno messo in crisi le produzioni di molti paesi in via di sviluppo, quelli che producevano cotone, lana, iuta, gomma naturale, legname, pellami.

Il riconoscimento delle trappole tecnologiche nascoste in molti processi e prodotti sintetici sta spingendo verso la "riscoperta" delle materie prime naturali: adesso la ricerca dispone di nuovi raffinati strumenti che mostrano che molte sostanze presenti nei vegetali e negli animali si prestano bene come materie prime industriali, in concorrenza, anche sul piano ecologico, con quelle sintetiche.

Non solo: si sta scoprendo che le conoscenze sulle materie presenti nella natura sono ancora molto scarse: a differenza dell'industria sintetica, che produce relativamente pochi materie prime e derivati, la natura svolge le sue funzioni vitali con una grandissima fantasia. Delle specie legnose conosciamo soltanto un piccolo numero, rispetto a quelle che si trovano in natura; innumerevoli piante nascondono preziose materie che possono, per esempio, sostituire utilmente e con minori danni i conservanti e i pesticidi sintetici.

Inoltre il possibile esaurimento delle riserve (o almeno delle riserve a più basso prezzo) di alcuni combustibili fossili sta spingendo molti paesi industriali verso lo sviluppo di una agro-industria per prodotti non alimentari.

Zuccheri, amido e cellulosa possono essere trasformati in alcol etilico usabile come carburante in miscela con la benzina: gli amidi, gli zuccheri, la cellulosa, la lignina, i grassi, possono essere trasformati in prodotti chimici alternativi a quelli petrolchimici e meno inquinanti di quelli attuali.

C’è una crescente attenzione, per esempio, per la produzione e l'uso di materie "plastiche" biodegradabili, adatte per imballaggi, ottenute da amidi, cellulosa e sostanze chimiche ricavate dalla biomassa vegetale.

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