Come realizzare una torcia a idrogeno, o HHO

Le torce ad idrogeno, o torce HHO, sono simili a quelle tradizionali, ma funzionano a temperature assai più elevate. Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo di una torcia a idrogeno rispetto a una torcia tradizionale è che non vi sono sottoprodotti di fuliggine. Invece, la torcia a idrogeno produce solo acqua mentre lavora a temperature che possono saldare metalli refrattari, cosa che una torcia normale non può fare. Soprattutto, questa torcia così potente costa molto meno di una torcia tradizionale. Puoi persino crearne una tu stesso –ma solo se sei un adulto! – usando materiali disponibili per il consumatore medio.

Il cosiddetto “ossidrogeno” (HHO) è una miscela di idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂). Questa miscela gassosa viene utilizzata per realizzare torce ad alta temperatura per la lavorazione di materiali refrattari, ed è stata la prima miscela gassosa utilizzata per la saldatura. Teoricamente, un rapporto idrogeno-ossigeno 2: 1 – come quello che si ottiene dall’idrolisi dell’acqua – è sufficiente per raggiungere la massima efficienza; in pratica è necessario un rapporto 4: 1 o 5:1 per evitare una fiamma ossidante.

L’ossido di idrogeno brucerà quando viene portato alla sua temperatura di autoaccensione. Per la miscela stechiometrica idrogeno-ossigeno nel rapporto di 2: 1 a pressione atmosferica normale, l’autoaccensione avviene a circa 570 °C. L’energia minima richiesta per accendere una tale miscela con una scintilla è di circa 20 microjoule. A temperatura e pressione standard, l’ossidrogeno può bruciare – previa accensione –quando la miscela contiene tra circa il 4% e il 95% di idrogeno in volume.

Una cella elettrolitica del XIX secolo per la produzione di ossidrogeno.

Una volta accesa, la miscela gassosa si converte in vapore acqueo e rilascia energia, il che sostiene la reazione: 241,8 kJ di energia per ogni mole di H₂ bruciata. La quantità di energia termica rilasciata è indipendente dalla modalità di combustione, ma la temperatura della fiamma varia. La temperatura massima di circa 2.800 °C si ottiene con una miscela stechiometrica esatta, circa 700 °C più calda di una fiamma di idrogeno in aria (quest’ultima è dunque di 2.100 °C).

Una miscela stechiometrica esatta può essere ottenuta mediante elettrolisi dell’acqua, che utilizza una corrente elettrica per dissociare le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno nel rapporto 2:1. William Nicholson fu il primo a scomporre l’acqua in questo modo nel 1800. Si noti che, poiché nessun sistema è perfettamente chiuso, l’energia richiesta per generare l’ossidrogeno supererà sempre l’energia rilasciata bruciandolo, anche alla massima efficienza pratica.

Quando uno dei gas viene miscelato in eccesso rispetto a questo rapporto o quando viene miscelato con un gas inerte come l’azoto (o con l’aria, dato che l’azoto è presente in gran quantità nell’aria), il calore deve diffondersi attraverso una maggiore quantità di materia e la temperatura sarà inferiore. Dunque, la temperatura che si produce con una torcia HHO è abbastanza più alta della temperatura che si avrebbe con la combustione del gas metano (o gas naturale) in aria, che si ferma a 1950 °C.

La fiamma prodotta da una torcia a ossidrogeno.

Una torcia a ossidrogeno (nota anche come torcia a idrogeno) è una torcia che brucia idrogeno (il combustibile) con ossigeno (l’ossidante). È usato per tagliare e saldare metalli, vetri e materiali termoplastici. A causa della concorrenza della saldatura ad arco e della torcia da taglio a base di acetilene, la torcia a ossidrogeno viene raramente utilizzata oggi, ma rimane lo strumento da taglio preferito in alcune applicazioni di nicchia, ed è ancora utilizzata ad es. in campo orafo.

Il vantaggio con una torcia alimentata a idrogeno è che è molto più potente del normale gas e con il tipo di generatori utilizzati (si può fornire l’elettricità per l’elettrolisi anche con dei pannellini fotovoltaici) è ecologico, poiché l’unico prodotto di scarto è l’acqua, ed è economico poiché anche il combustibile è generato dall’acqua. Una torcia alimentata a idrogeno si basa sulla stessa teoria sulla combustione del gas per alimentare i motori, fornendocene di fatto un esempio concreto.

Le fondamenta della cannuccia a ossidrogeno furono poste da Carl Wilhelm Scheele e Joseph Priestley intorno all’ultimo quarto del XVIII secolo. Produceva una fiamma abbastanza calda da fondere materiali refrattari come platino, porcellana, mattone refrattario e corindone ed era uno strumento prezioso in diversi campi della scienza. Sono state sviluppate anche lampade a ossidrogeno, utilizzanti la fiamma di ossidrogeno per riscaldare un pezzo di ossido di calcio fino all’incandescenza.

Una lampada che utilizzava una fiamma di ossidrogeno come fonte di calore ad alta temperatura, per produrre una luce bianca calda.

Come realizzare una piccola torcia HHO didattica

AVVERTENZE. Questo progetto è riservato a persone adulte e responsabili, e non solo perché coinvolge fiamma e temperature assai elevate, ma soprattutto perché l’idrogeno è un gas esplosivo molto pericoloso, che può accumularsi e poi esplodere con l’ossigeno. In particolare, la miscela di idrogeno e ossigeno è un gas altamente esplosivo. Se questa viene contenuta in uno spazio ristretto, la detonazione del gas sarebbe altamente pericolosa e potrebbe causare gravi lesioni.

Pertanto l’esperienza illustrata di seguito, proposta su vari siti internazionali di scienza dilettantistica, NON va eseguita in casa ma necessariamente all’aperto (ad es. su un terrazzo), e ben lontano da cose infiammabili. Noi abbiamo aggiunto anche numerose norme e informazioni sulla sicurezza che occorre conoscere e adottare: ad es. indossa sempre occhiali protettivi (di qualsiasi tipo) quando utilizzi la torcia a idrogeno. Per realizzare una semplice torcia HHO, avrai bisogno dei seguenti materiali:

• Pila da 9 V (fonte di alimentazione)
• Pila da 4,5 V (o due elettrodi di grafite)
• Un tubicino flessibile (ad es. come quelli che trovi qui)
• Un ago per gonfiare i palloni di basket
• Lana d’acciaio molto fine
• Un barattolo con coperchio forabile (tipo bicchiere Nutella)
• Un po’ di cavo elettrico (circa 1 m)
• Un po’ di pellicola trasparente (tipo Domopak)
• Un po’ di nastro adesivo
• Un po’ di idrossido di potassio (KOH) – Lo trovi qui
• Un paio di guanti
• Un bicchiere d’acqua.

Alcuni dei materiali che vi saranno utili per questa esperienza.

Gli elettrodi sono in genere realizzati in grafite (carbonio) in modo che possano far passare l’elettricità nell’acqua e perché questo materiale non reagisce facilmente con l’ossigeno o con i composti disciolti, altrimenti si verificheranno reazioni sulla superficie del catodo (elettrodo negativo) e l’acqua verrà inquinata con i prodotti delle reazioni. Ciò significherebbe che viene rilasciato molto poco gas ossigeno perché si combinerebbe con l’elettrodo metallico e rimarrebbe nel contenitore.

Occorre in ogni caso evitare del tutto elettrodi di rame, che inquinano l’acqua con fanghi blu. Molte persone usano elettrodi in acciaio inossidabile perché l’acciaio inossidabile non reagisce così facilmente. Il problema è che il grado dell’acciaio che si trova spesso in commercio non è eccezionale e ti verranno lasciati dei fanghi marroni dopo alcuni minuti di funzionamento. L’erosione degli elettrodi avviene molto più rapidamente quando vengono utilizzate alte correnti o elevati soluti.

La procedura da seguire è la seguente. Apri una batteria da 4,5 volt (le trovi qui) – facendo attenzione a non farti male – ed estrai le due barre di carbonio (grafite), stando molto attento a non danneggiarle nell’operazione, perché sono assai fragili. Pulisci le barre di carbonio con carta vetrata a grana fine, sempre facendo assai attenzione a non spezzarle. Avvolgi poi un pezzo di filo attorno a ciascuna delle barre di carbonio e collega l’altra estremità di ciascun filo a un contatto su una batteria da 9 volt.

Gli elettrodi di grafite che potete trovare in una pila da 4,5 V.

Il volume di gas prodotto è proporzionale alla carica che passa attraverso l’acqua (corrente) e quindi una corrente elevata significa più gas. Perciò, la distanza degli elettrodi dovrebbe in teoria essere la più piccola possibile pur avendo abbastanza spazio per far fuoriuscire liberamente il gas. Devi fare però attenzione che i due elettrodi non siano troppo vicini, o potrebbero verificarsi scintille nell’area di produzione del gas (con conseguente esplosione del barattolo!). Quindi, meglio una via di mezzo.

Riempi poi il barattolo con due tazze d’acqua e scioglici un cucchiaino di idrossido di potassio (KOH) per renderla l’acqua conduttiva. Inserisci le barre di carbonio, con i fili sporgenti e la batteria da 9 volt appoggiata all’esterno del contenitore. Nell’acqua inizieranno a formarsi delle bolle. Metti un tubetto lungo circa 50 cm nella parte superiore del contenitore appena sopra la linea di galleggiamento e fai i fori, nel coperchio del barattolo, per il tubetto e per il cavo pila-elettrodi.

Ora devi creare, sempre nel coperchio di plastica, un altro buco ben più grande, di circa 1 cm quadrato di area (grande quindi come un quadrato da 1 cm di lato, ma può essere anche di forma rotonda). Esso verrà coperto con una pellicola trasparente da cucina fissata su tutti i lati con del nastro adesivo. Questa costituirà, di fatto, una valvola sensibile che eviterà al gas nel barattolo di esplodere, e proteggerà anche dalla possibile implosione al calare della pressione quando il gas residuo brucia nell’ago.

Come apparirà la fondamentale valvola fai-da-te sul coperchio del barattolo.

A questo punto sigilla lo spazio fra i fori ed i tubetti/fili con una resina epossidica adeguata (ad es. Bostik trasparente). Riempi poi l’estremità del tubetto con lana d’acciaio imballata il più strettamente possibile, dopodiché inserisci l’ago della pompa da basket (di gran lunga preferibile a quello di una siringa, perché più lungo e resistente, per cui eviterai il rischio di scottarti) a chiudere l’estremità del tubetto. Ora sei pronto per dare il via all’esperimento, da fare assolutamente all’aperto, MAI al chiuso.

Esecuzione dell’esperimento e norme di sicurezza da attuare

L’acqua pura – cioè quella distillata e anche quella demineralizzata, che è un po’ meno pura – in realtà non conduce granché l’elettricità, quindi non è adatta per essere utilizzata senza aggiungere qualcosa all’acqua, un cosiddetto “elettrolita”. L’acqua del rubinetto contiene già molti composti disciolti che consentono all’acqua di condurre, ma non abbastanza per una elettrolisi efficiente se si usa una semplice pila da 9 V come fonte di energia. Tuttavia, non possiamo aggiungere un elettrolita qualsiasi.

L’impiego nell’elettrolisi di sale da cucina (ovvero cloruro di sodio, NaCl) al posto dell’idrossido di potassio (KOH) non va bene perché con il sodio reagirebbe con l’ossigeno precipitando come idrossido di sodio (NaOH), mentre i gas che si svilupperebbero sarebbero idrogeno e cloro, con quest’ultimo che è dannoso per i polmoni. Siccome a noi l’ossigeno ci serve, al posto del cloruro di sodio usiamo l’idrossido di potassio, che non deve essere toccato con le mani, perciò inizia con l’indossare dei guanti da lavoro.

L’impiego di idrossido di potassio (KOH) è fondamentale per l’elettrolisi HHO.

Indossa anche gli occhiali protettivi per proteggerti da eventuali piccole esplosioni. Poni un bicchiere pieno d’acqua vicino a te. Collega il cavo alla pila per dare inizio all’elettrolisi dell’acqua, che svilupperà idrogeno a un elettrodo e ossigeno all’altro, che si mescoleranno formando ossidrogeno, il quale uscirà dall’ago da basket. Accendendolo con un accendino avvicinato all’ago, potrai vederlo bruciare per alcuni secondi, poi l’ago si scalderà molto e dovrai spegnerlo immergendolo del tutto nel bicchiere d’acqua.

Si noti che non si può spegnere una torcia HHO soffiandoci sopra (cosa da evitare assolutamente), poiché la temperatura molto elevata dell’ago induce l’autoaccensione del gas. Piuttosto, se per ragioni improvvise non avete il bicchiere (che è essenziale!) a portata di mano o qualcosa va storto, non lasciatevi prendere dal panico: semplicemente togliete il coperchio al barattolo del vostro elettrolizzatore, così non arriverà più nuovo gas all’estremità calda del tubetto dove si trova l’ago e la fiamma si esaurirà.

Il tubetto con l’ago da pallacanestro. Sarebbe bene dotarlo di una valvolina.

Naturalmente, se tenete in mano il tubo anziché l’ago per evitare di scottarvi, il calore potrebbe sciogliere l’estremità di plastica del tubo in pochi secondi, ed a quel punto la fiamma potrebbe svilupparsi dall’estremità del tubo. Perciò è molto importante essere preparati a reagire di conseguenza infilando l’estremità del tubo nel bicchiere d’acqua ed avere quest’ultimo a disposizione (meglio sarebbe avere una pentola piena d’acqua), oppure chiudendo una valvola di ritegno inserita sul tubo.

Se non volete rischiare di bruciarvi o di sciogliere la plastica, potete realizzare un cannello come quello mostrato in figura, che presenta anche un’utile valvola per la regolazione del flusso dell’ossidrogeno ed il suo eventuale arresto. Si possono acquistare dei cannelli per ossidrogeno anche online, ma occorre assicurarsi che il diametro della sua estremità si possa raccordare al tubo di plastica prescelto. E avere sulla punta del cannello un orifizio piccolo consente di aumentare l’intensità della fiamma.

Un eccellente cannello autocostruito resistente alle alte temperature.

Un’ultima, ma fondamentale, avvertenza. Non utilizzate fonti di alimentazioni diverse dalla pila a 9 V suggerita in questo articolo, né – per nessuna ragione – elettrolizzatori più potenti di quello indicato. L’idrogeno non è un gas con cui scherzare, e se avete bisogno dell’ossidrogeno per fondere qualche metallo particolare esistono degli apparecchi professionali che offrono tutte le necessarie garanzie di sicurezza. Chi effettua questo tipo di esperimenti se ne assume in pieno la responsabilità.

Le torce HHO per utilizzo industriale: come funzionano

La torcia a fiamma a base HHO avente una fiamma di lunghezza di circa 3 cm può essere utilizzata per fondere, riscaldare, tagliare minerali o metalli e anche per unire materiali come ferro e ceramica. Ciò permette a questo tipo di aziende di limitare il consumo di combustibili fossili, ma anche di controllare l’inquinamento. L’ossidrogeno usato a livello industriale è convenzionalmente prodotto per elettrolisi alcalina dell’acqua usando acciaio di grado 316-L come elettrodo.

Un generatore professionale di HHO. Ne puoi trovare diversi in vendita qui.

Se uno vuole produrre più gas, non basta comunque aumentare semplicemente la corrente: oltre una certa soglia di corrente (che dipende dalla superficie del singolo elettrodo), bisognerebbe aumentare anche la superficie per la produzione di gas, cioè il numero di elettrodi di grafite utilizzati. Tuttavia, sconsiglio nel modo più assoluto di farlo – e tanto più di tentare di confinare il gas prodotto in un contenitore – poiché la miscela idrogeno + ossigeno è altamente esplosiva e pericolosa.

Per evitare di far esplodere il gas, il tubo dal contenitore viene immesso nella base di un altro contenitore riempito per metà con acqua. Ciò consente al gas di penetrare nell’acqua per poi essere raccolto attraverso un altro tubo che viene utilizzato come uscita del gas. Ora, se si verifica un’accensione all’uscita, le fiamme non possono tornare oltre il dispositivo gorgogliatore e nel grande volume di gas nella cella di elettrolisi. Questo è un dispositivo di sicurezza assolutamente essenziale e non deve essere ignorato.

Un esempio di generatore di ossidrogeno con gorgogliatore (a destra), fondamentale per la sicurezza. La pompa dell’acqua serve per rimpiazzare l’acqua, in modo da non avere troppo spazio nel contenitore per l’accumulo di gas esplosivo.

Un generatore HHO per uso industriale può essere preparato (ma non fatelo, questi dati sono forniti a puro scopo informativo!) usando 4 litri di acqua che dovrebbe essere filtrata o distillata e poi sottoposta a un processo di elettrolisi con solo 1,5 volt DC e un 1 A di corrente. Ciò permette di produrre HHO con una quantità inferiore di energia elettrica e di poter sviluppare più calore. La miscela di gas ossidrogeno viene poi fatta passare attraverso il gorgogliatore prima di essere inviata alla torcia.

In un elettrolizzatore di tipo industriale, vengono usate come elettrodi numerose piastre di acciaio per avere una maggiore superficie per la produzione di ossidrogeno. Il circuito di alimentazione può prevedere l’impiego della modulazione dell’ampiezza di impulso (PWM) per la regolazione della corrente continua. La torcia della fiamma possiede una valvola limitatrice di pressione, per evitare ritorni di fiamma quando la si spegne. Vi possono essere delle ventole per prevenire il surriscaldamento.

Naturalmente, questa è solo una delle tante possibili applicazioni dell’idrogeno. I ricercatori hanno lavorato per rendere possibile alimentare le auto con l’idrogeno generato in questo modo. Jeremy Rifkin, il guru dell’economia dell’idrogeno, ha illustrato in un suo libro, Economia all’idrogeno, le varie applicazioni in campo energetico. Abbiamo visto anche un razzo fatto con una bottiglia di plastica alimentato da un generatore HHO, e c’è sempre il pensiero di costruire il proprio dirigibile in miniatura.

Uno dei vantaggi dell’uso dell’idrogeno è che può essere prodotto con fonti rinnovabili.