La fisica della lavatrice ci porta a scoprire la scienza segreta degli oggetti di ogni giorno: dall’energia cinetica che permette alla macchina di avanzare nel traffico alle leve nascoste in asce, martelli e perfino rotoli di carta igienica; dalla fotodegradazione che stinge le nostre magliette preferite all’elasticità delle scricchiolanti assi di legno del pavimento; dai fluidi non-newtoniani che ingeriamo abitualmente, come il ketchup, alle microcapsule di colla che rendono così magici i post-it. Un viaggio tra elettricità e forza gravitazionale, termodinamica e relatività, che ci fa guardare da un punto di vista inatteso il nostro microcosmo domestico. Perché il vento non butta giù i grattacieli? Come mai alcune persone russano e altre no?
Chris Woodford è un divulgatore scientifico, curatore del popolare sito Explain That Stuff.
Ci sono 1000 milioni di auto sul pianeta. Proviamo a contarle! Se le impilassimo una sull’altra otterremmo una colonna 170000 volte più alta del monte Everest, ovvero abbastanza alta da raggiungere la Luna più di quattro volte. Parcheggiamole una dietro l’altra e formeranno una fila che attraversa gli Stati Uniti 1200 volte o più. Un miliardo (1000 milioni appunto) è quel genere di numero che la maggior parte di noi fatica a figurarsi. Proviamo allora a pensare che la popolazione mondiale supera i 7 miliardi e che, tra tutti, tracanniamo 2 miliardi di tazze di caffè al giorno. Ci sono più o meno 6 miliardi di telefoni cellulari in circolazione e, nel complesso, da 1 a 2 miliardi di pecore. Se possiamo tollerare l’immagine mentale di una pecora al volante di una Jaguar che bela in un telefono cellulare tenendolo con lo zoccolo vicino alla bocca, ce la facciamo anche a farci un’idea di 1 miliardo di auto? La cosa più interessante, per quanto mi riguarda, non è che ci siano così tante auto al mondo, ma domandarsi perché. Che cos’hanno speciale le auto per essere diventate, nell’arco di poco più di un secolo, una delle invenzioni di maggior successo di sempre? Come è facile immaginare la risposta a questa domanda è tutta scientifica.
Che cos’hanno di così buono le auto?
Le auto sono laboratori chimici mobili. E, anche se ciò potrebbe non sembrare tanto interessante, è proprio questo il motivo per cui sono tanto diffuse. Togliamo i sedili in pelle, le cromature luccicanti, le fasce laterali dei modelli sportivi e tutto il resto e non ci rimane che una manciata di piccole lattine, chiamate cilindri, in cui la benzina esplode liberando energia. Le auto sono costruite intorno ai motori e i motori (o più precisamente i motori a combustione interna) bruciano la benzina insieme all’ossigeno dell’aria per liberare l’energia in essa contenuta. Dovendo pensare a qualcosa che brucia ci verrà in mente il fuoco, in realtà però la combustione è dal punto di vista chimico, una reazione tra ossigeno e carburante. È un caso se questa reazione chimica libera calore e fiamme come prodotti collaterali. La scienza di fondo delle auto è tanto banale che quasi non la notiamo: riempiamo il serbatoio di benzina, giriamo la chiave nel cruscotto e partiamo. Se però ci soffermiamo sui dettagli scopriremo che si tratta di qualcosa di sorprendente.
Partiamo dal fatto che una comune auto familiare percorre circa 100 chilometri con 7 litri di benzina. Ciò significa che usando un solo cucchiaino di benzina (circa 0,004 litri), l’auto avrebbe abbastanza energia da percorrere circa 60 metri, ovvero quindici volte circa la propria lunghezza. Pensiamo a quanto è faticoso spingere un’auto, se vi è capitato anche solo una volta di farla partire da ferma, e sono certo che tutti converremo che si tratta di qualcosa di notevole. La questione è semplice: la benzina è davvero zeppa di energia. Subito dopo l’uranio (il combustibile nucleare), è in pratica la sostanza più ricca di energia in circolazione. Questa, più di ogni altra ragione incluse la libertà di spostarsi, l’indipendenza e lo status sociale che derivano dalle auto spiega la loro popolarità.
Che cos’hanno le auto di tanto brutto?
Guidare un’auto è l’esperienza che più si avvicina a quella che può provare un uomo cannone. Un solo pieno di benzina ci permette di sfrecciare a una velocità stupefacente percorrendo distanze straordinarie. Se il serbatoio della nostra auto contiene 70 litri di carburante e il motore può percorrere 100 chilometri ogni 7 litri, un solo pieno dal benzinaio ci permette sorprendentemente di viaggiare per ben 1000 chilometri. Fermandoci a fare il pieno quattro volte potremmo in sostanza attraversare gli Stati Uniti, da New York fino a Los Angeles. Anche se ci può sembrare impressionante, questo risultato potrebbe essere decisamente migliore. Volendo attraversare gli Stati Uniti, un’auto probabilmente sarebbe una buona scelta rispetto ai diversi tipi di bicicletta che abbiamo visto nel Capitolo 4, perlomeno se la nostra intenzione è quella di ridurre lo sforzo al minimo e concludere il viaggio il più rapidamente possibile senza ricorrere a un aereo o a un treno. Per esempio, supponiamo di volerci arrampicare sul monte Everest e che sia possibile farlo a piedi, in bici o in auto. Subito potremmo pensare: «Devo proprio trascinare tutto quel metallo lassù in cima?». Portare una bici richiederebbe già un notevole sforzo, ma se volessimo guidare un’auto in salita dovremmo non soltanto sollevare il nostro peso (per esempio 75 chilogrammi) ma anche il peso del veicolo (probabilmente vicino a 1500 chilogrammi). Questo è il vero svantaggio dell’auto. Ovunque andiamo è un po’ come se avessimo una palla di metallo e una catena attaccate alla gamba, solo che la palla in questo caso è lunga più o meno 4,5 metri e pesa venti volte più di noi. Se ci trascinassimo fin sulla montagna, il 95% circa dell’energia di cui avremmo bisogno verrebbe consumato soltanto per sollevare la massa dell’auto. Appena il 5% invece servirebbe per alimentare il lavoro utile di cui effettivamente ci importa: cioè spostarci in cima. Questo è il motivo per cui un’auto beve tanto carburante e consuma tanta più aria di un ciclista. Il ragionamento che possiamo fare a proposito dell’arrampicarsi in montagna può essere esteso a ogni altra meta che vogliamo raggiungere in auto: ovunque andiamo siamo obbligati a trasportare in più tanto metallo e a sprecare molta energia; non è un caso se la Ariel Atom, una delle auto più veloci del mondo, è anche una delle più leggere. Pesa meno di 500 chilogrammi, cioè da un quarto a un terzo circa rispetto a una piccola auto comune.
In breve, le auto a benzina sono così strutturalmente inefficienti (con tutto quel peso in più) che non possiamo far finta di niente. E questo prima ancora di affrontare la questione della loro vera inefficienza. Con le auto il problema fondamentale è che soltanto il 15% dell’energia della benzina viene effettivamente usato per viaggiare. La parte restante viene consumata in vari modi, per esempio è sprecata come calore disperso nei cilindri, a causa dell’attrito radente negli ingranaggi e come energia sonora prodotta dal motore, oppure alimenta il sistema elettrico e così via. Se l’efficienza delle auto raggiungesse il 100% e tutta l’energia nella benzina venisse trasformata in energia cinetica per viaggiare, potremmo come minimo andare da cinque a dieci volte più lontano percorrendo oltre mezzo chilometro con un solo cucchiaino da tè di benzina.
Maggiore è il numero di persone che stipiamo nell’auto, maggiore è il carico utile che trasportiamo se confrontato con il peso inutile del veicolo e dunque più elevata è l’efficienza raggiunta. Questo è il motivo per cui i camion, gli autobus e i treni sono forme di trasporto funzionali ed efficienti anche se si tratta di veicoli molto grossi e con pesanti motori diesel. Tuttavia, a prescindere da quanto si possa migliorare la resa di un veicolo con motore a combustione interna, non possiamo dimenticare che è pur sempre alimentato da benzina o da un suo derivato e quindi produce inquinamento di un tipo o di un altro: fuliggine, smog e diossido di carbonio, uno dei gas responsabili dell’effetto serra. Come si potrebbe costruire un’auto migliore, meno inquinante e più efficiente? Quali suggerimenti potremmo ricavare dalla scienza?
Meglio della benzina?
Sono molti gli inventori eccentrici che hanno suggerito metodi alternativi per alimentare le auto. Prima che si iniziasse a usare la benzina, c’erano le auto a vapore, ma i motori a vapore sono di gran lunga i più inefficienti in quanto a potenza; il carbone usato per alimentarli inoltre è pesante, sporco e bruciando genera molto fumo. I motori diesel sono come motori a benzina particolarmente potenti, ma la loro progettazione è quasi altrettanto vecchia e il principio su cui si basano è lo stesso. Per quanto riguarda le auto elettriche, anche se possono sembrarci molto moderne, risalgono in realtà alla fine del xix secolo, ben prima dei tempi di Henry Ford. Fu infatti Ferdinand Porsche, più noto come il padre delle moderne auto sportive di lusso, a farsi un nome come sviluppatore delle prime auto ibride elettriche nel 1900.10 Non è così difficile progettare sulla carta un tipo di auto nuovo e scintillante, mentre è assai più complesso proporre un progetto credibile alternativo alle auto a benzina che permetta di viaggiare altrettanto velocemente o di andare altrettanto lontano. Potremmo pensare che un secolo o più di progressi abbiano reso le auto elettriche molto più efficienti rispetto a quelle a benzina, ma c’è un problema di fondo: nelle batterie elettriche può essere accumulata una quantità di energia che non è neppure paragonabile a quella incorporata nei combustibili liquidi come la benzina, il cherosene (il carburante degli aeroplani) o l’alcol (usato per alimentare i razzi). Perfino un pezzo di legno o un pacco di zucchero contengono più energia, a parità di peso, delle batterie per auto elettrica. Inoltre mentre è possibile «rifocillare» un’auto a benzina in appena un minuto o due, per ricaricare il gruppo di batterie di un’auto elettrica dobbiamo tenere il veicolo fermo senza poterlo utilizzare per diverse ore di fila. Alcuni ambientalisti si sono convinti del fatto che esista una gigantesca cospirazione orchestrata dalle aziende petrolifere per tenere le auto elettriche perennemente in panchina, ai margini della tecnologia, mentre le auto a benzina sporche e costose continuano a inquinare il pianeta. La verità è più prosaica e meno sensazionale: la benzina che si ricava dal petrolio è (e per come stanno le cose continuerà a essere) un mezzo di gran lunga più pratico ed efficiente per trasportare energia rispetto alle batterie elettriche. È scientifica, e non politica, la ragione per cui la maggior parte di noi oggi continua a usare auto alimentate a petrolio.
Il nostro futuro elettrico?
Domani forse non guideremo più auto a benzina. Nessuno è in grado di prevedere con certezza quando finirà il petrolio, ovvero quando diventerà talmente costoso da obbligare il mercato a trovare alternative più convenienti. Quel giorno però è destinato prima o poi ad arrivare: l’intera riserva di petrolio del nostro pianeta ha avuto bisogno di centinaia di milioni di anni per formarsi a partire da piante e animali marini in decomposizione, ma è bastato poco più di un secolo per consumare la gran parte del petrolio a nostra disposizione. Nuovo petrolio si forma tutti i giorni ma, anche supponendo di non usarlo più a partire da domani, dovremmo attendere qualche milione di anni prima di poter ricominciare a bruciarlo, estraendolo con perforazioni del terreno dalle riserve nuovamente abbondanti sotto la superficie. Di conseguenza, anche se le batterie non sono efficaci quanto la benzina per fornire l’energia, questa è la direzione verso cui stiamo andando, che ci piaccia o no. Le batterie sono ingombranti e rappresentano uno svantaggio per le auto elettriche, tuttavia questi veicoli vivaci, eleganti e silenziosi hanno molti punti a loro favore. In teoria, per cominciare, sono molto più leggeri delle auto a benzina perché non hanno bisogno di quel motore mostruoso, di quei cilindri incendiari con i loro pistoni che spingono in su e in giù e della trasmissione che gira. In pratica, ovviamente, le auto elettriche necessitano di qualcosa di altrettanto negativo: un carico di batterie estremamente pesanti. Però nel complesso un’auto elettrica rimane comunque più leggera di una a benzina e, dunque, è anche più efficiente.
Riciclare energia
Una delle cose che rende le auto a petrolio così inefficienti è quel loro andare a singhiozzo, partendo e fermandosi continuamente come sono costrette a fare in città. Nel Capitolo 2 abbiamo visto che per fare tutte queste cose occorre energia. Chi si è trovato a dover spingere un’auto in panne sa quanto è arduo anche solo superare la sua inerzia (l’indolenza di base di un ammasso di ferraglia) per riuscire a smuoverla. Se l’auto pesa 1 tonnellata e mezza (1500 chilogrammi) e sfreccia per le strade a 65 km/h, la sua energia cinetica è davvero molta. Facendo i conti troveremo che corrisponde a 240 kJ, che (applicando le formule utilizzate nel Capitolo 2) basta quasi per arrampicarsi sull’Empire State Building. Questo dato forse non impressiona, ma ecco l’inconveniente. Ogni volta che premiamo sui freni per schivare i bambini che inseguono un pallone o i gatti incuranti delle regole base della sicurezza stradale, quei 240 kJ si volatilizzano. Quando le pastiglie entrano in contatto con i dischi dei freni e ci fanno fermare con un sussulto, tutta quell’energia del movimento svanisce in uno stridio e una nuvoletta di fumo. Nelle auto sportive e in quelle da Formula 1, i freni possono sfrigolare fino a raggiungere temperature di 750 °C, quanto basterebbe per dar loro fuoco se fossero fatti di legno. Se dopo aver frenato fino a fermarci premiamo sull’acceleratore, il motore deve ricominciare a prendere velocità trasformando nuova benzina in energia. Così questo ciclo tremendamente dispendioso si ripete, più e più volte. Le auto elettriche hanno in tal senso un notevole vantaggio, proprio per ché sono alimentate da motori elettrici. Nella sua forma più semplice un motore elettrico è costituito da un grosso nucleo di fili di rame tutti avvolti e posti all’interno di un magnete. Quando gli elettroni si spostano nei fili di rame generano un campo magnetico temporaneo che interagisce con quello del magnete respingendolo. Il nucleo di rame incomincia allora a ruotare generando energia cinetica (del movimento) che possiamo utilizzare per alimentare qualsiasi cosa: da un aspirapolvere a un treno superveloce. Una particolarità notevole dei motori elettrici è che possono funzionare anche al contrario. Se facciamo ruotare con le dita l’albero di un motore elettrico induciamo l’energia a uscire dai fili di rame nella direzione opposta: il motore, in altre parole, diventa un generatore elettrico. In teoria potremmo produrre energia partendo da un qualsiasi apparecchio elettrico (per esempio un aspirapolvere), facendolo funzionare a mano in modo che il suo motore ruoti e pompi fuori elettricità dalla parte opposta. Pertanto se staccassimo dalla corrente il nostro aspirapolvere e facessimo girare il suo motore a mano, in teoria l’elettricità dovrebbe uscire curiosamente dal cavo di alimentazione. Come è facile intuire, questo sistema non funziona con un aspirapolvere, però funziona davvero in un’auto elettrica. Le auto elettriche usano il proprio motore con grande efficacia. Quando guidiamo, le batterie pompano energia attraverso i fili del motore, facendo girare le ruote. Premendo i freni interrompiamo il flusso della corrente, ma la quantità di moto dell’auto si conserva e le ruote continuano a girare per un certo tempo. Dato che anche il motore a sua volta continua a girare, incomincia a generare elettricità che ritorna ad alimentare la batteria e rallenta l’auto. Invece di sprecare tutta l’energia quando freniamo, l’auto elettrica ne riesce a risparmiare almeno una parte e la usa per ricaricare le batterie. Parliamo in questo caso di frenatura a recupero (o di freno rigenerativo) un meccanismo in grado di migliorare l’efficienza di un’auto elettrica ordinaria del 10% (i treni elettrici, per contro, migliorano l’efficienza fino al 15%, il che equivale a far viaggiare un treno ogni sette senza consumare energia).
Come dovrebbe essere l’auto perfetta?
Supponiamo di voler progettare l’auto più efficiente possibile. Che aspetto potrebbe avere alla fine? Dovremmo realizzare un veicolo con il minor numero possibile di parti mobili, in modo da ridurre al minimo l’energia per alimentarlo. Teoricamente la nostra auto dovrebbe anche essere più leggera possibile, così potremmo ridurre la quantità di energia che di solito si spreca per spostare metallo, plastica e vetro. Avrebbe bisogno poi di funzionare con un carburante molto disponibile e molto ricco di energia per chilogrammo (probabilmente qualcosa a base di carbonio e di origine organica). Se non ci preoccupasse l’idea di spostarci lentamente (supponiamo 6 chilometri orari) e fossimo preparati a prendere in considerazione carburanti come grassi o olio vegetale, potremmo scoprire che l’auto ideale somiglia molto al nostro corpo. Il veicolo così fatto richiederebbe scarsa manutenzione, sarebbe efficiente in termini energetici e facile da parcheggiare. Non avrebbe il problema di arrugginire o di perdere valore e, per molto tempo, rimarrebbe piuttosto bello.