Luigi Cerruti: La fissazione dell'azoto, ovvero l'ambiguità della scienza

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Provando e speculando

 

 

 

 

 

 

 

Non tutte le piste imboccate dalla ricerca scientifica e tecnologica portano 'dall'altra parte', e cioè al successo produttivo ed economico. Ogni tanto (se non spesso) il sentiero, dopo essersi inerpicato lungo pendii assai ripidi, si ferma di fronte ad una parete verticale, inaccessibile, e lì muore. Questi tentativi sono di solito ignorati dalla scienza e dall'economia, quasi fosse opportuno nascondere agli occhi dei profani gli errori degli iniziati ai misteri della tecnica. Il processo di preparazione dell'ammoniaca a partire dall'azoturo di alluminio, che porta il nome di Ottokar Serpek, è uno dei candidati all'oblio: da qui lo trarremo un momento, come pretesto per qualche considerazione.

 

Il procedimento dovuto a Serpek è il terzo, dopo quello dell'ossido di azoto e della calciocianamide, ad utilizzare quantità massicce di energia elettrica. Sotto questo aspetto rientra nella tendenza, cui si è fatto cenno, a sfruttare al massimo la giovane, fiorente, industria del 'carbone bianco'. Ma esso si distingue dagli esempi precedenti per essere più 'intelligente' del Birkeland-Eyde, basato in fin dei conti su un enorme spreco di energia, e più 'ambizioso' del Frank-Caro. Le reazioni fondamentali sono:

 

Al2O3 + 3C   <--> 2AlN  +  3CO              (1)

AlN  +  3 NaOH   <-->  NH3  +  Al(ONa)3    (2)

 

Con la reazione (1) si ottiene l'azoturo d'alluminio (AlN) partendo da alluminio (Al2O3), carbone e azoto: la reazione è fortemente endotermica e deve essere condotta ad altissime temperature per dare quantità apprezzabili di nitruro. La (2) porta allo sviluppo di ammoniaca e alla formazione di alluminato di sodio che, idrolizzato, dà allumina pura da rimettere in ciclo, o, meglio, da utilizzare per la preparazione dell'alluminio metallico. E' proprio questo aspetto che ha spinto Serpek (e altri) ad inseguire con tanto accanimento la realizzazione tecnica della prima reazione: partendo dal minerale bauxite (alluminia impura) si può giungere all'allumina pura seguendo un percorso così 'poco' costoso da 'regalare' l'ammoniaca come sottoprodotto. Detto in chiaro, si vedeva nel processo Serpek la possibilità di accoppiare due industrie in rapidissima espansione; secondo un osservatore del tempo: "La possibilità di allacciare fra loro due industrie, quella dell'azoto e quella dell'alluminio metallico, infiammò dei più accesi entusiasmi ricercatori, industriali e finanziari". L'ipotesi di partenza era quindi tutt'altro che peregrina, ma spesso la materia nel suo comportamento reale, sulla scala e nelle condizioni di un processo industriale, ignora la trasparenza delle equazioni chimiche.

 

Come quasi sempre, le origini delle conoscenze chimiche che Serpek voleva trasformare in una grande industria si devono rintracciare assai indietro nel tempo. La facilità con cui gli azoturi (in generale) svolgevano ammoniaca se trattati con alcali era ben nota nel 1876, quando J.W. Mallet, un chimico della Virginia, ritrovò questa specifica proprietà nell'azoturo d'alluminio, da lui isolato in quantità che definì 'apprezzabili'. In realtà Mallet stava cercando di ottenere il carburo d'alluminio, ma, al solito, chi cerca trova pur 'qualcosa'. Nel crogiuolo dove tentava invano di produrre il carburo notò "delle piccole croste amorfe, gialle... Questa sostanza gialla risultò essere nitruro d'alluminio, un composto che credo non sia stato ancora studiato". Le parole del chimico americano sono molto espressive: ora la sua attenzione è rivolta al nuovo composto: "Dopo aver scelto la parte più pulita del lingotto d'alluminio, ho disciolto la maggior parte del metallo con acido cloridrico molto diluito ... ed ho poi attentamente raccolto con l'aiuto di una lente i granelli cristallini di nitruro. Sono riuscito ad ottenere solo 0,0374 grammi...Questa piccola quantità fu fusa a fiamma bassa con idrossido di sodio... l'ammoniaca formatasi fu trascinata via da una corrente d'idrogeno puro..."

 

I trentasette milligrammi di sostanza studiati da Mallet sono all'origine dei furiosi tentativi di Serpek di giungere a quella "fiamma bassa" capace di sviluppare ammoniaca. Per seguire lo sviluppo del pensiero pratico di un tecnico si può ricorrere ad una analisi dei brevetti, che, nei limiti della concisione e delle preoccupazioni del segreto industriale, rispecchiano comunque le linee effettive di ricerca. Serpek prese  tra il 1907 e 1917, solo negli Stati Uniti, più di venti brevetti, che si distribuiscono su due direttrici. Nella prima, che dura grosso modo fino al 1915, l'apparato utilizzato consiste sostanzialmente in due forni rotativi (lunghi fino a 25 metri), posti in serie. Nel primo viene caricata la bauxite e si ha un semplice preriscaldamento con i gas esausti provenienti dal secondo, dove, in seguito alla carica con coke e all'attività di un potente forno elettrico, avviene la vera e propria reazione. Lo schema, assai semplice, aveva trovato la sua realizzazione a Saint Jeanne de Maurienne in Savoia, per conto della Societé générale des nitrures che aveva acquistato i brevetti Sepek (1912).

 

La 'semplicità' del progetto si urtò ben presto con un parametro 'indomabile' della reazione, la temperatura, che doveva mantenersi ad ogni costo fra i 1750 e 1850 C. Per avere qualche riferimento si può ricordare che nei forni per i cementi si raggiungono i 1350-1450 C e che i 1600-1700 C si hanno negli altoforni usati per la metallurgia del ferro. I 'guai' erano di tutti i tipi: 'surriscaldamenti locali, con formazione di carburo d'alluminio difficilmente nitrificabile, fusioni parziali e decomposizione del carburo stesso" (Toniolo); si formavano croste sulle pareti del refrattario, il forno doveva essere fermato, il refrattario si indeboliva... Serpek lavorò accanitamente per modificare il suo forno, ed evitare questi 'inconvenienti' (quattro brevetti fra il 1912 e il 1913); arrivò a costruire un forno più piccolo, discontinuo, per produrre nitruro in quantità sufficiente a rivestire le pareti del forno principale (1913), giunse a ipotizzare l'azione di catalizzatori (1914): inutilmente.

 

Quasi fosse spinto da una nietzschiana 'volontà di potenza', ancora nel settembre del `13, in una conferenza tenuta a Vienna, dopo aver illustrato i metodi industriali di preparazione dell'ammoniaca, con le loro difficoltà e i loro limiti, concludeva a 'muso duro', quasi esponendo un programma di vita: "I chimici non hanno mai evitato la lotta per soggiogare le forze della natura, non hanno in nessun caso ripiegato, e dove l'hanno voluto fermamente, sono sempre rimasti vincitori nella battaglia con gli elementi".

 

A questo punto si cambia rotta: si tenta di far avvenire la reazione con la stessa tecnica dei bruciatori di carbone. I solidi (bauxite e carbone, od anche in altri tentativi leghe Fe- Al e carbone) sono 'sparati' in forni verticali, dove l'azione di archi elettrici o l'irraggiamento di grandi resistenze si incarica di fornire l'energia necessaria. Qui il dilemma diventa ancora, se possibile, più complesso: se la corrente gassosa è troppo veloce non si dà tempo al processo di nitrurazione di completarsi, se è troppo lento si hanno i soliti guai delle incrostazioni. Occorreva inoltre un perfetto e intensissimo preriscaldamento dei gas, altrimenti la reazione, molto endotermica, si incaricava di far scendere subito la temperatura.

 

Il 1917 è l'anno della crisi, con quattro brevetti, scanditi da gennaio a luglio. Serpek fornisce sempre maggiori quantità di calore al suo sistema. Nell'ultimo brevetto che porta il suo nome il processo è così descritto: l'azoto è prodotto bruciando con carbone polverizzato aria preriscaldata: è poi portato a temperatura più alta (2000 C) attraverso un arco elettrico; questa miscela gassosa viene mescolata con carbone e bauxite ed il tutto fatto passare attraverso nuovi archi elettrici. Con questa apoteosi, in un ultimo spasimo di energia, si spegne l'avventura di Serpek. Scriveva l'osservatore italiano già citato: "Serpek non è più in Francia e pare non si occupi più dell'argomento tanto tormentato".

 

La 'storia' dell'ammoniaca dai nitruri ha però un altro aspetto, che non ha mancato di scandalizzare i commentatori dell'epoca: la speculazione borsistica ha imperversato selvaggiamente sull'impresa di Serpek. 'Pare' che i suoi brevetti siano stati venduti negli Stati Uniti per una cifra enorme, 'pare' che in America siano stati costruiti forni rotativi lunghi da 60 a 80 metri, con 3-4 metri di diametro; ciò che conta è che "tanto in Francia che in America si incontrarono enormi difficoltà per far funzionare gli impianti e la speculazione borsistica sulle azioni di quella società ne aggravò ancora le condizioni, sicchè nel 1915 il processo si risolse in un insuccesso" (Molinari).    Le azioni della Societé générale des nitrures furono quotate fino a 5400 lire l'una (1912), per precipitare dopo la data indicata da Molinari al di sotto del valore nominale di 500 lire. Concludiamo con una nota malinconica. Così scriveva nel 1922 Louis Hackspill: "... finora l'azoturo d'alluminio si è visto solo nelle esposizioni. Il bel materiale, in piccoli cristalli trasparenti leggermente bluastri che si sono potuti ammirare a Torino nel 1911, faceva meglio sperare di questa industria nascente". E' difficile sottrarsi all'impressione che le gigantesche macchine progettate, costruite e sognate da Serpek, siano state capaci di andare ben poco oltre il crogiolo e le delicate pinzette del minuzioso Mallet. 

 

 

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