Sintesi degli idrocarburi
La salvaguardia dell'ambiente porta a soluzioni valide anche nelle future basi abitabili sulla Luna e su Marte e viceversa.
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Estrazione dell'ossigeno dall'ilmenite,il minerale più diffuso sulla Luna
Il motore a ciclo Brayton può essere una valida alternativa al motore elettrico, sia sulla Terra sia nella colonizzazione spaziale
Siti su autoveicoli funzionanti con celle a combustibile
Fisher e Tropsch hanno messo a punto, nel 1923 un procedimento per trasformare il carbone in idrocarburi: benzina, gasolio, nafta.
Tale procedimento è basato sull'immissione di vapore entro una fornace riempita di carbone portato ad almeno 900°C -1000°C con una combustione con la minima quantità di ossigeno necessario; a questa temperatura il vapore si dissocia in idrogeno ed ossigeno grazie all'azione del carbonio che unendosi all'ossigeno forma l'ossido del carbonio; si forma quindi il "gas d'acqua" composto appunto da idrogeno ed ossido di carbonio, utilizzato come combustibile nei primi esempi di illuminazione delle città all'inizio del novecento.
Pompando tale "gas d'acqua" entro un contenitore alla pressione di 10 o 20 atm (ma va bene anche la pressione atmosferica, solo diminuisce la velocità di reazione) e riscaldato a temperature comprese tra 190°C e 250°C in presenza di catalizzatore a base di ferro (ad esempio la comune paglietta di ferro) ed altri elementi in minore quantità si formano gli idrocarburi, cioè composti caratterizzati dalla formula:
Cn H2n+2
dal metano CH4 ai vari composti del GPL (propano, butano), alle benzine ma soprattutto gasolio, con una percentuale che dovrebbe aggirarsi intorno all'80%.
Questo processo di sintesi interessa anche la "gassificazione" dell'immondizia, in quanto qualunque composto organico, riscaldato in assenza di ossigeno a temperature comprese tra i 700°C ed i 900°C si dissocia appunto in idrogeno ed ossido di carbonio.
Inoltre a mio parere è applicabile anche alle miscele di idrogeno ed anidride carbonica (meno pericolosa dell'ossido di carbonio) in quanto il secondo atomo di ossigeno è legato al carbonio meno fortemente del primo e quindi può venire ancora più facilmente rimosso dall'idrogeno.
In questo caso si risolverebbe il problema dell'accumulo di anidride carbonica non immessa nell'atmosfera in quanto il carbonio verrebbe nuovamente convertito in idrocarburi.
Estrazione dell'ossigeno dall'ilmenite,un minerale molto diffuso sulla Luna:
Il Prof. Giovanni De Maria, Ordinario di Chimica Fisica presso l'Università "La Sapienza" di Roma ed i suoi collaboratori B. Brunetti, G. Trionfetti e Daniela Ferro (del CNR, Centro per la Termodinamica Chimica alle Alte Temperature) hanno pubblicato nell'articolo "Solar Energy Fluized Bed Reduction of Ilmenite Whith Hydrogen and Methane at Hight Temperature" (01 ICES-226) i risultati della ricerca volta ad estrarre l'ossigeno dall'ilmenite, un minerale composto da ferro, titanio ed ossigeno presente con la percentuale del 14% sul suolo lunare, almeno nella regione dove atterrò l'Apollo 11.
Questo faciliterebbe notevolmente il trasporto del carburante sulla Luna, dato che resterebbe da portarvi solo l'idrogeno, 16 volte più leggero, a parità di numero di molecole.
Il forno solare da loro utilizzato è visibile nell'immagine, insieme alle apparecchiature utilizzate (per gentile concessione del Prof. Giovanni De Maria):
La piattaforma orientabile (11) è costituita da un insieme di 8 specchi piani rettangolari (0,5 x 1 m) per un totale di 4 m² di superficie piana che convogliano la luce solare verso lo specchio parabolico (4) del diametro di 1,5 metri che è in grado di concentrare una potenza nominale complessiva di 1,5 Kw in una superficie di soli 15 mm di diametro alla distanza di 0,641 metri dalla parabola, attraverso le pareti di quarzo della colonna dove avviene la reazione di riduzione.
In realtà con un'intensità della luce solare diretta di 850 W/m² si ottiene un'intensità della luce riflessa verso la parabola di 700 W/m² (con un coefficiente di riflessione = 0,823); quindi la potenza effettivamente concentrata all'interno della colonna di quarzo dopo la seconda riflessione e l'attenuazione attraverso la finestra di quarzo (3) e la parete di quarzo è di circa 1 Kw.
Un cilindro cavo di mullite con un'apertura conica in corrispondenza della finestra di quarzo provvede all'isolamento termico.
Un generatore di onde acustiche (7) provvede a generare onde sonore che contribuiscono a mantenere compatto l'insieme dei granuli di ilmenite (delle dimensioni di 90-105 µm) sottoposti al processo di riduzione che è possibile sia mediante idrogeno sia mediante metano.
Il corretto orientamento del riflettore è garantito dalle 4 fotoresistenze poste al punto (10) che ricevono un fascio di luce circolare passante attraverso un disco forato posto alla stessa altezza ma all'ingresso del locale; quando tutte le 4 fotoresistenze risultano ugualmente illuminate, la piattaforma risulta correttamente orientata e lo specchio parabolico completamente illuminato.
Mediante l'idrogeno il processo di riduzione inizia ad 800°C ed avviene con una sufficiente velocità a 900°C, con la formazione di acqua:
FeTiO3 + H2 → Fe + TiO2 + H2O
Dalla successiva elettrolisi dell'acqua si possono ottenere idrogeno ed ossigeno; l'idrogeno può poi essere riutilizzato in un successivo processo di riduzione mentre l'ossigeno può essere accumulato in un opportuno serbatoio.
Mediante il metano il processo di riduzione è stato ottenuto alla temperatura di 1223°K (996°C) per due diverse pressioni (0,13 e 0,2 atm) e diverse velocità di alimentazione del gas; in tal caso, dopo un avvio lento dovuto allo strato di ossido che copre il ferro, la reazione procede con una buona velocità grazie alla presenza del ferro progressivamente liberato dall'ossigeno, che funziona da catalizzatore, ottenendo una miscela di ossido di carbonio ed idrogeno, che sono adatti ad una successiva eventuale sintesi degli idrocarburi:
FeTiO3 + CH4 → Fe + TiO2 + CO + 2H2
Quest'ultimo processo di riduzione dimostra come sia possibile ottenere, oltre all'ossigeno, anche il composto Fe + TiO2 molto poroso ed adatto a funzionare come efficiente catalizzatore anche nella reazione di sintesi degli idrocarburi.
L'ilmenite è comunque presente sulla Terra in Australia, nelle sabbie del Brasile, in Canada; in Italia è presente in alcune sabbie della Sicilia.
Il motore a ciclo Brayton potrebbe essere una valida alternativa all'insieme celle a combustibile -
motore elettrico, sia sulla Terra sia nella colonizzazione spaziale
Dalla descrizione del motore a ciclo Brayton fornita in questo sito emerge che, quando la potenza richiesta non è elevata, come nel traffico cittadino, il rapporto tra le pressioni massima e minima utilizzate può essere elevato fino ad esempio a 25 o 30, corrispondente ad un rendimento teorico uguale o superiore al 60%; se utilizzato in un autoveicolo in presenza di un buon isolamento termico, la parte ad alta temperatura può arrivare ad 800°C, garantendo un buon flusso termico immesso nel motore, e quindi una buona potenza oltre all'ottimo rendimento.
Il vantaggio dell'utilizzo di questo tipo di motore rispetto all'insieme celle a combustibile - motore elettrico è quello di dover recuperare ed immagazzinare anidride carbonica liquida anzichè utilizzare idrogeno liquido, molto più pericoloso e soggetto a continua evaporazione in caso di non utilizzo dell'autoveicolo.
In un autoveicolo ibrido che utilizzasse l'insieme motore a scoppio - motore a ciclo Brayton, il recupero dell’anidride carbonica e la sua liquefazione potrebbe essere realizzata con le seguenti modalità:
- nel traffico cittadino, nell'ipotesi di procedere con il motore a scoppio spento (con relativo notevole risparmio di carburante) portando la temperatura dei gas di scarico alla temperatura ambiente mediante un opportuno radiatore e quindi raffreddando la miscela di azoto ed anidride carbonica;
- in autostrada o procedendo ad una velocità superiore ad una minima, con entrambi i motori funzionanti, utilizzando prima l’energia termica presente nei gas di scarico (equivalente al 35% – 40% dell’energia complessivamente consumata) per far funzionare un motore a ciclo Brayton e successivamente portando la temperatura dei gas di scarico alla temperatura ambiente mediante un opportuno radiatore e quindi raffreddando la miscela di azoto ed anidride carbonica dopo una preventiva condensa del vapore acqueo che, disperdendosi nell'aria impiega molto tempo prima di condensare nelle nubi e partecipa ad aggravare il fenomeno dell’effetto serra.
Arrivati alla temperatura di liquefazione dell’anidride carbonica alla pressione atmosferica ( - 78,5 °C; però alla pressione di 20 atm la temperatura di liquefazione sale a -20°C, a 35 atm Tliquefazione= 0°C, a 44,5 atm Tliquefazione= 10°C) questa potrebbe essere raccolta in un’opportuno serbatoio mentre l’energia spesa per raffreddare l’azoto sarebbe recuperata riportando quest’ultimo a temperatura ambiente e rilasciandolo nell’aria dopo aver raffreddato la miscela di azoto ed anidride carbonica proveniente dal radiatore mediante un opportuno scambiatore di calore.
La spesa energetica complessiva sarebbe quindi inferiore o non superiore a quella relativa al condizionamento dell’aria dell’abitacolo dell’autovettura e sarebbe ampiamente coperta dall’energia prodotta dal motore Brayton; l’energia prodotta in più da quest’ultimo contribuirebbe a migliorare il rendimento complessivo dei propulsori motore a scoppio - motore a ciclo Brayton dell’autoveicolo.
A favore dell’utilizzo dell’idrogeno nell’autotrazione, sia pure in una versione ibrida che preveda l’utilizzo dell’elettricità prodotta dalle celle a combustibile con catalizzatore al platino soprattutto nel traffico urbano resta la notevole efficienza di conversione dell’energia chimica della reazione tra idrogeno ed ossigeno in energia elettrica (60% - 70%); però l’insieme del motore elettrico (sia pure a magnei permanenti) e dell’elettronica di controllo non permette un rendimento di conversione del’energia elettrica in energia meccanica superiore all’85%-90% nei casi migliori; quindi il rendimento complessivo di conversione in energia meccanica si ridurrebbe al 50%-60%; inoltre andrebbe conteggiata l’energia necessaria alla liquefazione dell’idrogeno o alla sua compressione in bombole a pressioni di 300 o più atm.
Considerata anche la lievitazione dei costi del platino usato come catalizzatore qualora la produzione delle celle fotovoltaiche superasse un certo volume, si può concludere che l’utilizzo di queste ultime nell’autotrazione può andare bene per piccoli o medi volumi di produzione ma non per grandi volumi di produzione.
Migliori risultati si possono ottenere con le celle a combustibile a carbonato fuso, funzionanti alla temperatura di 600°C - 650°C che non necessitano di catalizzatore al platino ma solo elettrodi a base di nichel; un'altro pregio essenziale di queste celle a combustibile è quello di poter funzionare direttamente con gasolio, trattato per eliminare lo zolfo, fonte di corrosione, meglio ancora con il gasolio di sintesi.
Infatti a quella temperatura l'idrogeno si dissocia dal carbonio, in presenza degli elettroliti utilizzati, e quindi i prodotti della reazione sono elettricità (con rendimento 60%), acqua ed anidride carbonica.
L'alta temperatura di funzionamento permette inoltre di trasformare il calore residuo in energia meccanica, ad es. con un motore a ciclo Brayton, portando il rendimento complessivo quasi all'80%.
In definitiva per affrontare il problema delle emissioni di CO2 prodotte dagli autoveicoli su scala mondiale la scelta migliore a mio parere è quella di una combinazione di motore a scoppio tradizionale e del motore a ciclo Brayton oppure della combinazione celle a combustibile a carbonato fuso e del motore a ciclo Brayton descritto sul mio sito internet, anche se il rendimento effettivo fosse del 45% o 50%, utilizzando una parte dell'energia prodotta da quest'ultimo per la liquefazione dell'anidride carbonica, che una volta immessa in un robusto serbatoio potrebbe essere conservata anche a temperatura ambiente, avendo temperatura critica = 31,1°C e pressione critica = 73 atm, superando le quali potrebbe essere gradualmente rilasciata nell'atmosfera senza problemi.
In più il serbatoio dell’anidride carbonica sarebbe un utile dispositivo antincendio in caso di emergenza.
Le stesse considerazioni valgono sia per l’autotrazione sia dovunque sia necessario immagazzinare energia per poi utilizzarla come energia meccanica anche su Marte o dove vi sia anche una pur rarefatta atmosfera che garantisca un raffreddamento per convenzione, in quanto l’utilizzo degli idrocarburi è una soluzione più affidabile e meno dispendiosa rispetto all’utilizzo dell’idrogeno liquido, essendo l’immagazzinamento dell’ossigeno liquido energicamente meno dispendioso del primo.
Sulla Luna, in assenza di atmosfera ed essendo possibile solo il raffreddamento per irraggiamento, l'insieme celle a combustibile - motore elettrico resta la migliore soluzione per trasformare l'energia chimica in energia meccanica, utilizzando celle a combustibile ad alta temperatura che dissiperebbero appunto per irraggiamento il calore sviluppato durante la reazione chimica, a meno di utilizzare la sabbia del suolo lunare per asportare il calore della parte a temperatura inferiore del motore a ciclo Brayton.
Siti su autoveicoli funzionanti con celle a combustibile:
http://www.ecotrasporti.it/necar.html
( autoveicoli a celle a combustibile)
http://www.vegaeditrice.it/asa_trasporti/archivio/trasporti159.html(caratteristiche tecniche)
http://www.edicolaweb.net/news_005.htm http://www.corriere.it/speciali/idrogeno2002/idrogeno1.shtml http://www.vegaeditrice.it/asa_trasporti/archivio/trasporti144.html http://www.edicolaweb.net/newss005.htm
ritorno alle caratteristiche costruttive