L’alluminio (e le Sue Leghe)

L’alluminio, anche se non molti lo sanno, è un metallo con proprietà straordinarie. Non esiste in natura allo stato metallico, ma sempre sottoforma di composti, il più noto dei quali è la Bauxite, nella quale è contenuto sottoforma di ossidi ed idrossidi. E un motivo c’è: è un metallo che si ossida molto facilmente, anzi la reazione di ossidazione dell’alluminio è una di quelle che libera più energia rispetto a quelle degli altri elementi metallici: circa 64 MJ per kg! Ciò significa, ad esempio, che l’energia ottenibile “bruciando” un kg di alluminio puro corrisponde a quella necessaria per sollevare una Porsche Cayenne dal livello stradale a 2.500 m di quota. In effetti, in alcune applicazioni particolari, l’alluminio è stato utilizzato come combustibile: ad esempio i booster (SRB) degli Shuttle utilizzavano polvere di alluminio come combustibile, che veniva fatta reagire con perclorato di potassio, composto in grado di fornire l’ossigeno necessario per far avvenire la reazione di ossidazione (li vedete i due getti di gas incandescente ai lati del velivolo? Si tratta proprio di questo).

Bruciare l’alluminio per produrre calore, tuttavia, non è una buona idea: per ottenerlo allo stato metallico, infatti, a partire dalla Bauxite, bisogna utilizzare enormi quantità di energia: la cosa migliore è riutilizzarlo più a lungo possibile, mantenendolo allo stato metallico, cioè riciclarlo. La complessità delle operazioni necessarie per ricavare l’alluminio a partire dal suo ossido ha fatto sì che questo metallo non fosse utilizzato industrialmente prima del 1825 circa: in epoca napoleonica, un set di posate in alluminio era considerato più prezioso dell’equivalente realizzato in oro.

A questo punto, sorge spontanea una domanda: ma se l’alluminio ha questa tendenza fortissima ad ossidarsi, perché è così stabile, allo stato metallico, nelle comuni applicazioni? Sappiamo tutti che le leghe di alluminio vengono utilizzate nei settori più disparati, che vanno dal packaging alimentare, all’uso in campo automobilistico, alla costruzione di strutture per applicazioni aerospaziali e non si è mai verificato un caso di combustione spontanea del metallo. Il motivo è che l’alluminio, esposto all’aria, forma spontaneamente uno strato di ossido (l’allumina) che lo protegge dall’ulteriore ossidazione, come se fosse una vernice. Si tratta, tuttavia, di una vernice con caratteristiche straordinarie in quanto è sottilissima -e per questo praticamente trasparente-, molto dura (si tratta di un materiale ceramico), ben adesa al metallo e molto compatta. In più, questa “vernice”, nel caso in cui venisse danneggiata, si riforma in tempi molto brevi, dell’ordine di alcuni secondi. Pertanto, possiamo dire che l’alluminio viene protetto dall’ossidazione proprio dallo strato di ossido che si forma in superficie.

Nelle applicazioni in alto vuoto, le leghe di alluminio costituisco un materiale da costruzione ideale: l’ottimo rapporto tra rigidezza e densità (l’alluminio pesa solo 2,6 g per cm3, mentre l’acciaio ha una densità intorno agli 8 g per cm3) e l’ottimo rapporto tra resistenza meccanica e densità consentono di considerare questa classe di materiali un’ottima alternativa all’acciaio inossidabile se si ragiona, in termini progettuali, a parità di peso della struttura. Inoltre, le leghe di alluminio hanno un più basso livello di outgassing rispetto all’acciaio inox, rendendo questi materiali ottimi candidati per applicazioni in ultra-alto vuoto.

Ci si chiede, dunque, perché l’uso delle leghe di alluminio sia limitato alla realizzazione di camere a vuoto di piccole dimensioni. In realtà ci sono molti fattori di tipo tecnico da tenere in considerazione, ma quello più importante è senz’altro legato ad un fattore economico: il costo delle leghe di alluminio al kg è generalmente maggiore rispetto a quello degli acciai inossidabili. Progettando a parità di peso, l’uso dell’alluminio risulta essere conveniente, dunque, solo per realizzazioni di strutture piccole e complesse, come ad esempio camere a vuoto per la ricerca scientifica e per applicazioni industriali di precisione.