L’alluminio, anche se non molti lo sanno, è un metallo dalle proprietà straordinarie. Non esiste in natura allo stato metallico, ma sempre sotto forma di composti, il più noto dei quali è la bauxite, in cui è contenuto sotto forma di ossidi e idrossidi. E c’è una ragione precisa per questo: è un metallo che si ossida molto facilmente, anzi la reazione di ossidazione dell’alluminio è quella che rilascia più energia rispetto a quella di altri elementi metallici: circa 64 MJ per kg! Questo significa, ad esempio, che l’energia che si può ottenere “bruciando” un kg di alluminio puro corrisponde a quella necessaria per sollevare una Porsche Cayenne dal livello stradale a 2.500 m di altitudine! Infatti, in alcune applicazioni particolari, l’alluminio è stato usato come combustibile: ad esempio i booster dello Shuttle (SRB) utilizzavano polvere di alluminio come carburante, fatta reagire con il perclorato di potassio, un composto capace di fornire l’ossigeno necessario affinché la reazione di ossidazione avvenga (riesci a vedere i due getti di gas incandescente ai lati del veicolo?).
Tuttavia, bruciare alluminio per produrre calore non è un’idea intelligente: per ottenerlo allo stato metallico, infatti, partendo dalla bauxite, occorre impiegare enormi quantità di energia: la cosa migliore è riutilizzarlo il più a lungo possibile, mantenendolo allo stato metallico, ovvero riciclarlo. La complessità delle operazioni necessarie per ottenere l’alluminio dal suo ossido ha fatto sì che questo metallo non venisse utilizzato industrialmente prima del 1825 circa: in epoca napoleonica, un set di posate in alluminio era considerato più prezioso dell’equivalente in oro.
A questo punto sorge spontanea una domanda: ma se l’alluminio ha questa fortissima tendenza a ossidarsi, perché è così stabile, allo stato metallico, nelle applicazioni comuni? Sappiamo tutti che le leghe di alluminio sono utilizzate nei settori più disparati, dal confezionamento alimentare, all’uso in campo automobilistico, fino 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 (allumina) che lo protegge da un’ulteriore ossidazione, come se fosse una vernice. Si tratta però di una vernice dalle caratteristiche straordinarie in quanto è sottilissima – e quindi praticamente trasparente –, durissima (è un materiale ceramico), aderisce bene al metallo ed è molto compatta. Inoltre, questa “vernice”, se danneggiata, si riforma in brevissimo tempo, nell’ordine di pochi secondi. Possiamo quindi dire che l’alluminio è protetto dall’ossidazione dallo strato di ossido che si forma sulla superficie.
Nelle applicazioni in alto vuoto, le leghe di alluminio costituiscono 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 di circa 8 g per cm3) e l’eccellente rapporto tra resistenza meccanica e densità permettono di considerare questa classe di materiali come un’ottima alternativa all’acciaio inossidabile se consideriamo, in termini di progettazione, lo stesso peso della struttura. Inoltre, le leghe di alluminio hanno un livello di outgassing inferiore rispetto all’acciaio inossidabile, rendendo questi materiali eccellenti candidati per applicazioni in ultra alto vuoto.
Conclusioni
Ci si chiede, quindi, perché l’uso delle leghe di alluminio sia limitato alla costruzione di piccole camere a vuoto. In realtà ci sono molti fattori tecnici da prendere in considerazione, ma il più importante è senza dubbio legato a un fattore economico: il costo delle leghe di alluminio al kg è generalmente superiore a quello degli acciai inossidabili. Progettando a parità di peso, l’uso dell’alluminio è quindi conveniente solo per la costruzione di strutture piccole e complesse, come le camere a vuoto per la ricerca scientifica e per applicazioni industriali di precisione.