Un tuffo, nel vuoto, fino ad Arturo Malignani

I miti dell’antichità tramandano storie dove il vuoto, inteso in senso assoluto, non riesce a trovare un benché minimo spazio. Gli atomisti ricorrevano al concetto di “vuoto” per far sì che i loro atomi potessero muoversi liberamente, in attesa che la mente di Aristotele, ricorrendo all’osservazione e l’uso della razionalità, riuscisse a offrire una sintesi puntuale di tutti i miti e i contributi a lui precedenti. La sua fisica, del resto, traeva fondamento dal riempimento infinitamente denso di tutto lo spazio, grazie alla presenza di cinque elementi: terra, acqua, aria, fuoco e la quintessenza. Ed è bene ricordare come Aristotele avesse una concezione di natura molto particolare. In lei vi era un veto importante: natura abhorret a vacuo.  Da lì in poi l’assenza di vuoto inizia a lasciare ben poco margine a possibili riflessioni alternative…

Bisogna attendere il III secolo a. C, quando l’arrivo di due esperienze, la clessidra e la pompa a manovella, riesce a mettere in discussione il paradigma aristotelico. Il vuoto però non viene ancora nominato. Al suo posto era preferibile usare la parola ‘spazio’:

Le clessidre rovesciate lasciavano sopra uno spazio precedentemente pieno di sabbia […] se la pompa veniva azionata dalla manovella, l’acqua saliva, contro natura, a riempire spazi.

Se avete una clessidra a casa prendetela, tenetela un attimo fra le mani e rovesciatela. Oggi si sa che nel momento in cui la sabbia cade verso il basso, l’aria non riesce a rifiutare l’invito nel farsi strada fra i suoi granelli di sabbia, spinta com’è a salire verso l’alto. Mentre invece nel caso della pompa, era la risalita innaturale dell’acqua a dover provare a essere la risposta al tentativo di produrre l’anelato vuoto.

Il XV secolo, con Evangelista Torricelli, dà inizio alle prime vere sperimentazioni in quest’ambito così particolare. Il fisico e matematico romano, meglio noto per l’invenzione del barometro e per le ricerche pionieristiche in ottica (era anche un abile costruttore di cannocchiali!), ragionava in modo semplice ed efficiente. Preciso e attento a quanto fatto prima di lui.

Torricelli inizia con lo studiare il funzionamento della clessidra. L’intento è di voler sperimentare il comportamento – al suo interno – di un altro materiale, ben diverso dalla comune sabbia. Prova il mercurio. Mi chiedo “cosa” avrà spinto il Torricelli a costruire un tubo completamente ricoperto da questo materiale, per poi rovesciarlo in una vaschetta (piena anch’essa di mercurio!) e rimanere in attesa. Attento a quale sarebbe dovuto esserne l’effetto immediato.

E che faccia avrà fatto nel momento in cui quella colonnina rimaneva ferma a 73 centimetri… Oggi si sa che il mercurio, essendo impermeabile all’aria e comportandosi da metallo liquido e denso, forma una sorta di “vuoto” alla sommità. Ma c’è una cosa ancora più curiosa, e che non tutti sanno. La produzione del vuoto è stata alla base dei primi prototipi delle comuni lampadine elettriche, un elemento dell’indagine sperimentale portata avnti da un nostro connazionale. Nonché  protagonista di quest’articolo.

Arturo Malignani nasceva ad Udine, il 4 marzo del 1865. Oggi lo si ricorda, oltre che per i contributi al progresso della scienza nel campo della fisica e della chimica, per le innumerevoli ripercussioni positive della sua ricerca in ambito di agraria e meteorologia. La sua invenzione più famosa rimane però l’aver inventato una tecnica, all’epoca rivoluzionaria, per la produzione di vuoto nelle lampadine elettriche.

arturo malignani
Arturo Malignani, scienziato e imprenditore nato a Udine

 

 

Gli storici, nel tentativo di voler ricostruire il suo percorso teorico-sperimentale hanno avuto ben poche fonti a disposizione per tessere qualche dettaglio in più sulla sua vita. Malignani si guarda bene dal lasciare testimonianze puntuali, in termini di lettere o quaderni da laboratorio, riguardanti il suo lavoro sperimentale. Una conferma che il bis nipote Federico, giovane appassionato delle vicende che riguardano il bis nonno, corrisponde appieno: “se avesse lasciato qualche scritto è andato perduto, insieme alle macchine e alle apparecchiature di laboratorio e oggetti di famiglia, nel corso dell’occupazione dell’esercito austro-ungarico dopo la rotta di Caporetto nel 1917”.

In mancanza di fonti personali, la testimonianza dei colleghi e degli amici che lo accompagnano in vita, riesce a farci avere un’idea verosimile di come la figura di Arturo Malignani spiccasse. Era lì, perfettamente inquadrata in tutti quei giornali d’epoca che si dimostravano capaci di poter mettere in risalto lo stato dell’arte delle nuovissime tecnologie della luce e della ricerca sperimentale ad essa legata.

In quegli anni, la domanda d’illuminazione nei grandi centri abitati era in crescendo, soprattutto per tutti coloro che si dovevano muovere di notte, e non disponevano di mezzi propri. Così, se in un primo momento le vie principali, i vicoli bui e le piazze in centro delle città italiane venivano illuminate da fanali a olio, presto si inizia ad avere bisogno di trovare soluzioni alternative a quel “gas illuminante”… La miscela composta per l’80% da idrogeno e metano che iniziava a diffondersi a macchia d’olio. Il motivo è un classico di ogni città in crescita: il basso costo e il riscontro positivo fra i cittadini.

Il problema principale risiedeva nel fatto che questo gas nascondeva pericoli seri, soprattutto per gli ambienti chiusi. Il rischio d’incendio era sempre dietro l’angolo per via dell’elevato consumo d’ossigeno che rendeva l’aria viziata. Per non parlare poi della produzione di monossido di carbonio (8%, non poco) legata al processo di combustione…

Problemi che Malignani iniziava a considerare; ad avere a cuore. Inizia da qui per iniziare la sperimentazione su quella che diventerà poi la “sua” lampadina elettrica.

L’officina dove passava la maggior parte delle sue giornate era il suo regno. Il luogo dove l’attenzione per ogni componente, dalle ampolle, gli attacchi, i filamenti riusciva a voler essere continua; metodica. Forse è proprio questa dedizione a guidarlo verso un tentativo insolito: sostituire il mercurio tossico (per eliminare i vapori e gas all’interno della lampadina) con l’olio, così da ridurre i tempi di svuotamento all’interno della camera.

Diciamo pure che, a quell’epoca, le reazioni di ossido riduzione di tutte quelle sostanze chimiche studiate nel funzionamento della pila elettrica potevano considerarsi note. La fisica era riuscita a riprodurre le curve della radiazione di cavità (gli spettri del corpo nero) e ad affermare che i corpi riscaldati emettevano radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda in relazione inversa all’intensità della luce (il fenomeno che fa riferimento alla legge di Wien). Malignani queste cose le sapeva bene per via della sua formazione, così come si ricordava che i fili percorsi da corrente elettrica si riscaldano, con una potenza di lavoro proporzionale al quadrato dell’intensità in circolo.

Sempre attento a ciò che riguardava il suo ambito di ricerca, non lasciava nulla al caso.

Il leitmotiv di quest’ardente motivazione può essere chiarito da un evento concomitante: in quel periodo, l’americano Thomas Alva Edison portava in commercio una lampadina a incandescenza capace di emettere luce per più di 40 ore! Malignani inizia così a rendere il suo laboratorio il luogo dove gli errori e uno spiccato senso dell’intuizione regnavano su ogni altro tipo di bisogno personale. Ma il suo percorso era tutt’altro che semplice o scontato.

In laboratorio riesce a portare a incandescenza sia i filamenti a carbone (di Cruto) che i filamenti di altri tipi presenti nell’ampolla di vetro , applicandovi la seconda legge di Ohm: più è piccola la sezione del filamento, più sarà grande la resistenza elettrica, e tanto più rapidamente il filamento riuscirà ad arrivare al punto di incandescenza.

Ebbene, il rovescio della medaglia si insinuava proprio in questo punto.

Il poter avere (in così poco tempo!) una luce brillante, era la condizione che portava, categoricamente, all’attenuamento della durata del filamento interno. Di conseguenza, era ciò che causava l’affievolirsi dell’intensità luminosa per via di una maggiore quantità di vapori accumulati nell’ampolla. Ed è da qui che parte per dare inizio alle sperimentazioni dedicate alla produzione del vuoto.

Vado per ordine, così da non lasciare nulla al caso.

Le prime tecniche usate per produrre il vuoto avevano come obiettivo principale quello di impoverire l’aria, eliminando dal volume interno dell’ampolla della lampadina sia l’ossigeno che l’acqua. Diciamo anche che era l’ossigeno (uno degli elementi più reattivi presenti in natura) ad essere il massimo responsabile della vita così breve che contraddistingueva le lampade elettriche d’epoca. L’azoto però poteva essere d’aiuto a impedire all’ossigeno di penetrare dal vetro esterno all’interno dell’ampolla.  L’azoto, ricordiamolo, è un gas elitario molto più che selettivo. Non si combina a temperatura ambiente con nessun altro elemento. Qualità che lo rendevano il gas perfetto per tutti coloro che volevano (o dovevano!) produrre atmosfere inerti in laboratorio.

Dando per assodato che il vetro è un materiale semipermeabile per tutti gas dell’aria, l’azoto (per un principio fisico statistico) aveva come compito quello di rallentare la diffusione dell’ossigeno, responsabile dell’ossidazione del filamento citato in precedenza.

Le sperimentazioni si susseguono, ma il nostro Malignani continua a non raggiungere un pieno soddisfacimento negli effetti ottenuti. Il suo filamento continuava ad avere un tempo di vita troppo breve! Oramai si era convinto a dover provare qualcos’altro che potesse funzionare, ancora meglio. L’unico problema era, come al solito,  ‘cosa’ provare…

Dopo un po’ l’illuminazione arriva dalla chimica. Malignani aveva la fortuna di avere un padre che di professione faceva il fotografo. Ed è proprio nello studio del padre, cercando di osservarlo mentre portava alla vita eterna tracce di momenti impressionati su lastra, che riuscì a familiarizzare con il fosforo e l’arsenico.

Questi due, come si sa, sono semi metalli molto simili (metalloidi) fra loro e possono presentarsi in diverse forme. In una di queste, il fosforo combinandosi con l’arsenico veniva usato per produrre una fiammata di luce, in quanto il composto – eccitato per sfregamento – riusciva a produrre una luce abbagliante a contatto con l’aria.

Un fascino non da poco per chi come Malignani apprezzava la bellezza della ricerca.

arturo malignani
A. Malignani nel suo laboratorio, mentre era impegnato a produrre le sue lampade elettriche migliorando il vuoto ottenuto fino ad allora.

Il piacere della sperimentazione non doveva attendere un minuto di più. Ogni osservazione sperimentale doveva registrare come il fosforo si legasse all’ossigeno, senza contemplare alcuna produzione di fiammate, depositandosi silenziosamente sul fondo dell’ampolla. Solo che quest’ultima ora non era più liscia. Sul fondo si era depositato un velo composto da una sostanza giallastra frutto dell’ossidazione avvenuta: il getter.

Un getter  (assorbente, in inglese) è un componente della tecnologia del vuoto. Previene che i gas residui rimangano liberi se è necessario mantenere il vuoto. Un esempio pratico? ciò che doveva accadere nei tubi a raggi catodici dei primi televisori. Di solito il getter è un piccolo contenitore ad anello riempito con metalli definiti da un rapido tempo di ossidazione. Questi, dopo esser stati riscaldati per induzione magnetica evaporano, lasciando residui sul fondo dopo l’interazione con i gas in circolo.

Fu proprio grazie al getter, che il  vuoto riuscì a raggiungere il suo limite massimo.

Probabilmente fu proprio la scoperta del getter a portare Malignani in America. Il suo lavoro fu presentato ad Edison in persona! Da una lettera scritta a NY il 21 febbraio 1934, dal pugno dell’Ingegner John W. Howell (dirigente del dipartimento ‘lampadine elettriche’ della celeberrima General Electric Company) si riesce anche a capire in quali termini venne recepita la conoscenza mediata dallo scienziato di Udine:

Arturo Malignani invented the method of getting the vacuum in incandescent lamp by which part of the gases are jumped out with a mechanical pump and the remainder […] were precipitated in the bulb by mean reaction of phosforum […]

Se siete ancora curiosi, la tecnica del getter lascio ancora parlare di sé. Diventò la base nella costruzione dei tubi a vuoto e nei televisori a raggi catodici; gli antenati dei nostri amati schermi a LED, tanto per intenderci.

Se non vi basta, dovete anche sapere che la tecnica getter è stata alla base del funzionamento dell’acceleratore di particelle LEP (large electron positron collider), presente in LHC, l’anello di 27 km di lunghezza presente al CERN di Ginevra. Il vuoto permesso da questa pompa era dell’ordine del centomillesimo di miliardesimo di Torr. In altre parole, era della densità di qualche centinaio di molecole al metro cubo.

Insomma, cose non da poco se proprio si vuol metter da parte il sano entusiasmo di riconoscere a uno scienziato appassionato di fisica e progresso tecnico, il merito di aver cambiato la storia e la lettura di questo articolo, grazie alla lampadina che illumina lo schermo del nostro pc.

 

LH

 

 

 

 

 

 

 

 

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