Il Titanio: l’elemento, le leghe e I suoi utilizzi nell’industria aerospaziale
1) Storia e generalità
2) Utilizzo in ambito aerospaziale e militare
3) Vantaggi dell’utilizzo del Titanio su altri metalli ferrosi
4) Il Titanio in Gundam: il “Gundarium” e le missioni Apollo...
Storia e generalità
Semilavorati di titanioIl 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 soprattutto 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.
Cristallo di ilmeniteL’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.
Utilizzo in ambito aerospaziale e militare
Una foto degli anni '50 di un tecnico con uno dei primi compressori assiali per turbogasA 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.
Un Pratt & Whitney J 57 ai primi collaudiIl “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 Rolls Royce Avon al museo dell'aeronautica australianaNonostante 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).
Spaccato di un Rolls Royce JT-3DPer 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:
| Parametro considerato | 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% |
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.
Vantaggi dell’utilizzo del Titanio su altri metalli ferrosi
Il Komsomolets, lo sfortunato prototipo avanzato di sottomarino sovietico affondato nel celebre incidente del 1989 al largo della NorvegiaCome 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.
Un classe Alfa in emersioneQuesti 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.
L'F-22 accende i post bruciatoriNuovi 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).
Il Titanio in Gundam: il “Gundarium” e le missioni Apollo...
Scienziati della NASA al lavoro sui campioni riportati dalle missioni Apollo. Immagine della prima metà degli anni '70Una 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.
Il suolo lunareNaturale 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.
Il MS-06F Zaku II non ha bisogno di presentazioni!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.
Il Rick Dias, primo MS dotato di corazza della terza generazione di Titanio lunare, il Gundarium Gamma, sviluppato su AxisCreare una nuova lega 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.
Lo Z Gundam, che implementa la tecnologia del Rick Dias, il telaio mobile e le caratteristiche tradizionale della serie GundamPerò 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.
