1)
Storia e generalità
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Semilavorati di titanio |
Il
Titanio è un elemento che occupa la ventiduesima posizione nella tavola di
Mendelev e appartiene alla IV colonna del gruppo dei metalli di transizione.
Questo metallo, rispetto ad altri in uso fin dall’età preistorica (ferro, rame,
bronzo), è stato scoperto relativamente di recente, in Inghilterra nel 1790,
dal chierico William Gregor, che aveva intuito la presenza di un altro elemento
nell’ilmenite, un minerale presente sopratutto in rocce di origine lavica.
Solo
cinque anni più tardi, il tedesco
Heinrich Klaproth
ne individuo la presenza nel rutilo, un cristallo che fino ad allora veniva
confuso con la tormalina, me che il ricercatore scoprì essere composto da
diossido di Titanio (TiO2). Il nuovo metallo, per le sue caratteriste meccaniche
eccezionali e fino ad allora irraggiungibili, fu battezzato con il nome dei
primi figli di Giove ed Era, i mitologici Titani, non dei ma abbastanza potenti
da ribellarsi a loro. |
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L’isolamento del metallo puro, però richiederà un altro secolo di studi prima di
poter essere isolato: al 95% nel 1887 da Lars Nilson e Otto Peterson e infine
al 99.9% ( percentuale definita commercialmente pura, per definizione) nel 1910
da Matthew Hunter con la collaborazione della General Electric. Nonostante
questo, la produzione in quantità industriale del Titanio non si realizzò fino
al termine della seconda guerra mondiale mondiale, quando il lussemburghese
William Justin Kroll dimostrò che si potevano produrre grandi quantità
dell’elemento attraverso un processo di riduzione dal cloruro di Titanio (tiCl4)
attraverso l’ossidazione del magnesio. Da allora questo processo di
ossidoriduzione è diventato lo standard ancora oggi largamente impiegato per
ottenere il metallo. |
Cristallo di ilmenite |
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2) Utilizzo
in ambito aerospaziale e militare
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Una foto degli anni '50 di un
tecnico con uno dei primi compressori assiali per turbogas |
A qualche anno di distanza
dalla dimostrazione in laboratorio della possibilità di produrre
Titanio commercialmente puro in quantità industriali l’industria
aerospaziale si rese conto che l’utilizzo di leghe di questo
prezioso elemento avrebbero potuto cambiare drasticamente la
storia dell’aviazione: in effetti studi su leghe di Titanio con
piccole percentuali di Alluminio, Ferro, Molibdeno e Vanadio
dimostrano che potevano tranquillamente sostituire gli acciai
inossidabili austenitici fino ad allora ampiamente utilizzati
per parti critiche di turbogetti consentendo un risparmio del
peso anche superiore al 50%, per giunta, il comportamento di
queste leghe ad alta temperature, ad esempio, quelle
riscontrabili nei primi stadi della turbina di un jet, era anche
superiore a quello delle migliori leghe ferrose. |
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Il
“wonder metal” dell’industria aerospaziale però, presentava, e per certi versi
presenta tuttora, dei problemi non indifferenti, principalmente legati
all’elevato costo della sua produzione, che come si è visto, si basa sulla
riduzione dell’elemento dal suo cloruro tramite l’uso del magnesio, e d’altro
canto, proprio dalle caratteristiche che lo rendono così appetibile per ‘uso
aerospaziale: l’estrema resistenza lo rende di difficile lavorazione per le
macchine utensili (torni, frese, tutte quelle basate sull’asportazione di
truciolo), inoltre, la sua bassa conduttività fa si che il calore non venga
distribuito uniformemente ma che rimanga concentrato nelle zone prossime a dove
l’asportazione del materiale in eccesso viene effettuata, con risultante
pericolo di deformazioni, rotture del pezzo in lavorazione nonché usura e
frattura degli utensili, con tutti i pericoli che ciò comporta. La produzione di
getti da fusione era ancora più critica, sopratutto per via dell’elevata
temperatura di fusione e per l’elevato tempo di raffreddamento, sempre dovuto
alla bassa conduttività, tale da sconsigliarne la fattibilità fino a tempi
recenti. |
Un Pratt & Whitney J 57 ai primi collaudi |
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Un Rolls
Royce Avon al museo dell'aeronautica australiana |
Nonostante tali problemi che nei primi 10 anni dalla scoperta del procedimento
per ottenere il Titanio industrialmente inibirono completamente ogni reale
applicazione, le industrie del settore dell’energia quali General Electric,
Pratt & Whitney negli Stati Uniti, Rolls Royce nel Regno Unito e Lyuka e
Tomansky in Unione Sovietica investirono enormi fondi nella ricerca, essendo
coscienti del grande passo in avanti che avrebbe comportato per il settore l’uso
di tale materiale.
Nella seconda metà degli anni ’50 finalmente questi sforzi
vennero premiati e quasi contemporaneamente Pratt & Whitney e Rolls Royce
cominciarono a produrre i primi turbojet in cui la lega Ti 6-4 era impiegata per
le palette degli stadi del compressore (lo storico J-57 per P &W, l’Avon per RR),
e subito dopo per i dischi (Pratt & Whittney JT-3D, praticamente versione
turbofan del J 57 utilizzata sulla famiglia dei Boeing 707 e derivati, prodotto
dal 1958 fino al 1985). |
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Per rendersi conto del balzo in avanti della nuova generazione di turbine a gas
è sufficiente confrontare le prestazione del JT-3D rispetto al JT-3C, lo stesso
motore praticamente ma interamente costruito in acciaio:
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Spaccato di un Rolls Royce JT-3D |
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JT-3D (turbofan) vs. JT3C
(design originale): |
Spinta al decollo |
+ 42% |
Spinta di salita |
+ 23% |
Spinta in regime di crociera |
+16% |
Consumo di carburante specifico |
-13% |
Speso specifico dell’intera unità |
-18% |
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Certamente questi risultati spiegano bene perchè la produzione mondiale di
Titanio cominciò da decuplicare da anno in anno fino alla prima conferenza
mondiale organizzata a Londra nel 1968. |
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3)
Vantaggi
dell’utilizzo del Titanio su altri metalli ferrosi
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Il
Komsomolets, lo sfortunato prototipo avanzato di sottomarino
sovietico affondato nel celebre incidente del 1989 al largo
della Norvegia |
Come già ricordato precedentemente, il principale vantaggio dell’utilizzo del
Titanio rispetto a leghe ferrose con equivalente resistenza (acciai inossidabili
altamente legati, principalmente) è il suo basso volume specifico. In altre
parole, un albero motore forgiato in lega di Titanio ( ad esempio Ti 6-4, molto
usata in ambito aerospaziale, una lega a base di Titanio con il 6 % di alluminio
e 4 % di Vanadio) risulterà pesare la metà di un suo equivalente in acciaio
legato. Oltre a questo dato di indubbio interesse in campo aerospaziale, dove
ogni chilogrammo eliminato è prezioso, queste leghe riscontrano un comportamento
alle alte temperature migliore di qualsiasi altro materiale finora conosciuto,
con esclusione delle superleghe al Nickel, in particolare oltre i 500 gradi
Celsius una lega al titanio, possibilmente beta prevalente, è universalmente
considerata l’unica scelta possibile nell’ingegneria dei materiali.
La
resistenza alla corrosione di questo elemento è notevole, solo il platino
riscontra un comportamento migliore, naturale quindi che trovi impiego in campo
navale. Per queste applicazioni la defunta Marina Sovietica a partire dagli anni
’60 acquisì notevole esperienza e successi con la costruzione di una serie di
sottomarini nucleari le cui prestazioni sono tuttora ineguagliate: le classi
Alfa e Sierra sono caratterizzate dal possedere uno scafo completamente in
Titanio, il permette a queste unità di raggiungere quote di immersione doppie
rispetto a unità con convenzionale scafo in acciaio, quali gli Akula,
dell’ordine degli 800-1000 metri. |
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Questi vantaggi sono però compensati da un elevatissimo costo di tali unità, in
particolare per gli Alfa, ribattezzati, al tempo della loro entrata in servizio
“pesci d’oro” dagli equipaggi.
Molte delle cause dell’elevato costo delle leghe al Titanio sono già stati
accennati precedentemente, odiernamente l’attenzione della ricerca è focalizzata
sulla riduzione dei costi di produzione e lavorazione di questo metallo più che
sulla ricerca di nuove applicazioni, in quanto dopo cinquant’anni di studi
intensivi l’ostacolo maggiore all’uso del Titanio, per esempio, nell’industria
automobilistica oppure per l’uso in armature è sono di natura economica.
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Un classe Alfa in emersione |
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L'F-22
accende i post bruciatori |
Nuovi processi elettrochimici per la produzione del metallo sono entrati in uso
industrialmente nell’ultimo decennio, e i costi di lavorazione sono
costantemente in discesa, e l’introduzione dei caccia della serie “10” (F-14,
F-15, F-16, F-18) negli Stati Uniti, dei Mig-29 e Su-27 in Unione Sovietica e
dei vari Rafale, Gripen e Typhonn in Europa hanno richiesto lo sviluppo e il
perfezionamento di tecnologie di fusione di leghe al Titanio anche per
componenti di notevoli dimensioni quali longheroni portanti alari o di
fusoliere, impensabili al momento dell’introduzione del “wonder metal” nel 1956.
Per dare una buona idea dell’importanza odierna delle leghe al Titanio in
aviazione l’F-22, il caccia tecnologicamente più evoluto al momento, ha un
telaio format per il 42 percento da leghe al Titanio, per il 24% da leghe
polimeriche, dal 24% da leghe d’alluminio e solo per il 10% da leghe ferrose
(acciai).
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4)
Il Titanio in Gundam: il “Gundarium” e le missioni Apollo...
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Una delle caratteristiche che hanno fatto della prima serie di Gundam uno degli
anime più importanti dal punto di vista storico-culturale è indubbiamente lo
sforzo (non sempre però coronato dal successo) di tentare di ottenere una
verosimiglianza storico-scientifica per le vicende.
Di
particolare interesse è l’idea, presentata inizialmente in Z gundam, che la
corazza del Gundam sia costituito da una lega speciale, detta “Gundarium”.
Successive pubblicazioni, specie il lavoro di Kondo identificano questo
materiale come una lega di Titanio lunare.
Tornando dietro dall’Universal Century alla seconda metà degli anni ’60 del XX
secolo, si deve ricordare le le missioni Apollo che portarono allo sbarco sulla
Luna nel 1969 non sarebbero potute svolgersi senza l’apporto delle leghe al
Titanio, ma ancora più interessante è ricordare che le analisi chimiche sui 382
kg di rocce lunari portati sulla Terra da tali missioni hanno rivelato che la
percentuale di ossidi di Titanio in tali campioni sono molto più elevati di
qualsiasi altro giacimento terrestre. In particolare, le rocce riportate
dall’ultima missione Apollo, la 17, risultarono formate per ben il 12,1% da TiO2,
una ricchezza di metallo veramente sorprendente.
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Scienziati della NASA al lavoro sui campioni riportati dalle
missioni Apollo. Immagine della prima metà degli anni '70 |
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Il suolo lunare |
Naturale quindi per gli sceneggiatori dell’universo di Gundam utilizzare queste
informazioni: in un’era remota come l’U.C. dove la colonizzazione della Luna e
il suo sfruttamento minerario una possibilità, la scelta economicamente più
vantaggiosa sarebbe sempre utilizzare il materiale in cui l’elemento è più
ricco. Mentre non può esserci alcuna differenza chimica fra il Titanio Lunare e
quello Terrestre, essendo lo stesso elemento, la produzione del metallo a
Grenada o in Von Braun city risulterebbe indubbiamente più vantaggiosa, inoltre
la locazione di questo tipo potrebbe in qualche modo favorire la produzione di
leghe con caratteristiche superiori rispetto a quelle di altri posti, in maniera
simile all’acciaio svedese, da sempre considerato superiore poiché a basso
contenuto di zolfo, caratteristica derivata dall’utilizzare il carbone di
origine lignea del paese per gli altiforni, il cui contenuto di zolfo è molto
limitato rispetto ad altri carboni. |
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Più ostica invece è la questione del “Gundarium”: in certe pubblicazioni pare
che questo sia un nuovo elemento, in altre invece si parla di lega Gundarium,
formata da Titanio lunare. Nella prima ipotesi ci si troverebbe a che fare con
un errore scientifico (quindi i fan dovrebbero strapparsi i capelli di fronte
all’ascientificità dell’affermazione...) , nel secondo casi si potrebbe
ipotizzare che “Gundarium” sia il nume commerciale di una lega di Titanio la cui
composizione non possa essere divulgata per ragioni strategico-militari, il che
dal punto di vista logico avrebbe un senso, dato che la corazza Cobhan,
sviluppata nel Regno Unito all’inizio degli anni ’80, e ancora riservata e l’INVAR
è il nome commerciale della lega invariabile Platino-Iridio. Il problema
successivo è naturalmente la caratterizzazione di tale lega, poiché dal 1946 a
oggi sono presenti in letteratura più di cinquanta leghe al Titanio, ognuna con
delle caratteristiche ben definite per impieghi particolari. |
L'MS-06F Zaku II non ha bisogno di presentazioni! |
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Il Rick Dias, primo MS dotato di corazza della terza generazione
di Titanio lunare, il Gundarium Gamma, sviluppato su Axis |
Creare una nuova di Titanio non è di per sé un’operazione difficile,
semplicemente basta variare la percentuale di elementi presenti, ma data
l‘enorme letteratura sviluppatasi in appena mezzo secolo di impiego praticolo
bisognerebbe chiedersi quale materiale avrebbe delle prestazioni così superiori
alle leghe attuali da far gridare al “miracolo tecnologico” (l’adozione del Gundarium versione gamma da parte del Rick Dias e successivamente dallo Z Gundam
nella seconda metà degli anni ’80 dello UC ricorda molto l’introduzione del
Titanio a metà degli anni ’50 del XX secolo), comunque tenendo conto di un
miglioramento generale della tecnologia anche nei trattamenti termici e nel
controllo microstrutturale dei metalli si può “passare” la questione ai
sceneggiatori di della serie.
Interessante è anche notare che inizialmente, nella OYW, il Principato di Zeon
non dispone di nessuna lega di Titanio lunare. In effetti, gli Zaku e tutti gli
MS impiegati inizialmente sono descritti come dotati di corazza all’”acciaio
ultra-rinforzato”, il che spiega facilmente una masso intorno alle 60
tonnellate, notevole svantaggio rispetto alle 40 del Gundam, che si suppone (si
suppone...) usi titanio lunare: casualmente, se così fosse, lo scarto di peso
fra i MS sarebbe molto verosimile come precedentemente dimostrato nel raffronto
fra il P&W JT3C e JT3D.
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Però c’è da notare che Zeon durante la guerra era in possesso della base di
Grenada sulla Luna, quindi il non utilizzo del titanio lunare pare alquanto
strano, mentre per la sua mancanza sulle colonie di Side 3 è ragionevole.
Comunque, dalla letteratura in questione pare che sia proprio la fazione
zeoniana di Axis a sviluppare la lega di Titanio della terza generazione, il
Gundarium Gamma, descritto come una lega composita di Gundarium. I materiali
compositi sono generalmente più leggeri rispetto ai forgiati o ai fusi, quindi è
ragionevole pensare che sia un miglioramento sensibile sopratutto in fatto di
peso ( o a parità di peso, di protezione) rispetto al Gundarium.
Il
fatto che Axis sia un asteroide fornisce un’altra ottima spiegazione per la
fonte dell’elemento: gran parte degli asteroidi, come il suolo lunario, è
formato da ossidi di Titanio.
In
conclusione, la questione della verosimiglianza dal punto di vista
dell’Ingegneria dei Materiali di Gundam e Z Gundam risulta, al vaglio delle
conoscenze tecnologiche attuali, estremamente accurata, il che lascia supporre
che siano stati coinvolti nella sceneggiatura esperti del settore: saggiamente,
come sempre la buona fantascienza dovrebbe fare, non tutto è spiegato (se
avessero esatta composizione e caratteriste dei materiali in questione gli
sceneggiatori delle serie televisive diverrebbero molto più ricchi di quanto
siano brevettando il Gundarium e il Gundarium Gamma), ma nulla di quanto
riportato contraddice l’attuale stato dell’arte e le leggi della Fisica, e le
ipotesi poste sul comportamenti di tali leghe sono da considerarsi assolutamente
fondate. |
Lo Zeta Gundam, che implementa la tecnologia del Rick Dias, il
telaio mobile e le caratteristiche tradizionale della serie
Gundam |
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