Idrogeno H

Il contesto scientifico dell'epoca

Quanto idrogeno ci sia nell'universo dipende da come lo si conta, e le due risposte raccontano cose diverse. In massa costituisce circa il settantacinque per cento della materia normale — quella fatta di atomi, non la materia oscura — ed è il dato che si cita di solito. Per numero di atomi, però, si supera il novanta per cento: su dieci atomi nell'universo, più di nove sono idrogeno. La differenza fra le due cifre è tutta nell'elio, che pesa quattro volte tanto. Gli astrofisici lo distinguono perfino con due sigle a seconda dello stato: H I quando è neutro nel mezzo interstellare, H II quando è ionizzato.

L'idrogeno non è stato fabbricato dalle stelle: c'era già, e le stelle lo consumano. La nucleosintesi primordiale, nei primi minuti dell'universo, lascia una composizione che si può riassumere in due cifre: circa il settantacinque per cento di idrogeno e il venticinque per cento di elio-4 in massa. Tutto il resto è rumore statistico — un nucleo su centomila è deuterio o elio-3, uno su un miliardo è litio-7. La tavola periodica come la conosciamo è venuta dopo, costruita dentro le stelle a partire da quella materia prima; l'idrogeno è il materiale con cui è cominciato tutto, e ne resta ancora la maggior parte.

Nelle stelle l'idrogeno non è solo abbondante: è il combustibile. Nelle stelle di massa minore la fusione procede attraverso la catena protone-protone, mentre in quelle più massicce del Sole passa per il ciclo CNO, in cui carbonio, azoto e ossigeno fanno da catalizzatori senza consumarsi. Le nubi molecolari di idrogeno sono associate alla formazione stellare, e i pianeti giganti gassosi ne sono fatti in larga parte. È una sostanza che sta contemporaneamente all'inizio della storia cosmica e dentro il motore di ogni stella accesa.

C'è un modo per vedere l'idrogeno anche dove non c'è niente da vedere, ed è una delle idee più eleganti dell'astronomia. L'idrogeno neutro emette una radiazione a ventuno centimetri di lunghezza d'onda, corrispondente a 1420 megahertz, prodotta da una transizione fra due livelli energetici molto ravvicinati dello stato fondamentale: è un evento rarissimo per il singolo atomo, ma l'idrogeno nell'universo è così tanto che il segnale complessivo si misura senza difficoltà. È la frequenza con cui si sonda l'idrogeno primordiale, quello che sta nelle nubi fredde dove nessuna stella illumina niente. L'elemento più semplice ha un canale radio tutto suo.

Quella riga radio ha fatto una cosa che nessun telescopio ottico poteva fare: ci ha mostrato la forma della galassia in cui viviamo. Le onde a ventuno centimetri attraversano le grandi nubi di polvere interstellare che alla luce visibile sono opache, e quindi permettono di vedere attraverso il disco galattico invece che fermarsi al primo ostacolo. L'esistenza della riga fu prevista dall'olandese Hendrik van de Hulst nel 1944 e osservata per la prima volta nel 1951 da Edward Purcell e dal suo studente Harold Ewen; dopo il 1952 le prime mappe dell'idrogeno neutro della Galassia rivelarono per la prima volta la struttura a spirale della Via Lattea. Sapevamo che forma ha la nostra galassia da meno di ottant'anni, e lo sappiamo grazie all'idrogeno.

La semplicità dell'idrogeno non è un dettaglio estetico ma la ragione per cui la fisica atomica esiste. Un protone e un elettrone formano un problema a due corpi, e per questo è l'unico atomo le cui equazioni quantistiche si risolvono esattamente, senza approssimazioni: i livelli energetici e le righe spettrali escono dal calcolo con una precisione verificabile. Tutta la chimica teorica degli altri elementi si costruisce per analogia a partire da questo unico caso risolto esattamente: ogni altro atomo si tratta con metodi approssimati, tarati su di esso.

Le righe spettrali dell'idrogeno non sono una curiosità da laboratorio: sono state il banco di prova su cui si è giocata la fisica atomica. L'idrogeno eccitato emette a lunghezze d'onda precise e ripetibili, raggruppate in serie; quella che cade nel visibile porta il nome di Johann Balmer, che nel 1885 ne ricavò la formula per via empirica. All'inizio del Novecento ci si aspettava che un modello riuscito dell'atomo dovesse rendere conto di quelle molte righe, riassunte nelle formule di Balmer e di Rydberg. Il modello che Niels Bohr sviluppò fra il 1911 e il 1918, costruendo sulla scoperta del nucleo fatta da Rutherford, ci riuscì: gli elettroni occupano orbite discrete e ogni salto fra due orbite emette o assorbe una quantità precisa di energia. La transizione dal terzo al secondo livello dà la prima riga della serie di Balmer, che per l'idrogeno è un fotone di 656 nanometri, cioè luce rossa. È la riga che gli astronomi chiamano H-alfa.

Dove mettere l'idrogeno nella tavola periodica è un problema che la tavola stessa ammette di non aver risolto: il gruppo in cui sta si chiama, letteralmente, «gruppo 1: idrogeno e metalli alcalini». Non è uno di loro, sta lì accanto. La ragione della perplessità è che si comporta in due modi opposti a seconda della compagnia. Nei composti ionici può presentarsi come catione positivo, l'idrone, che pur essendo saldamente legato alle molecole d'acqua governa il comportamento delle soluzioni acquose — è quello che si misura con il pH — oppure come anione negativo, l'idruro. Quest'ultimo si osserva di rado, perché tende a strappare protoni ai solventi liberando idrogeno molecolare.

C'è un momento preciso in cui l'idrogeno come lo conosciamo comincia a esistere, e non coincide con il Big Bang. Per i primi trecentosettantamila anni l'universo fu un plasma troppo caldo perché gli elettroni potessero restare legati ai protoni; quando l'espansione lo ebbe raffreddato abbastanza, si formarono gli atomi neutri di idrogeno. È lo stesso istante in cui l'universo diventa trasparente alla luce, perché i fotoni smettono di urtare elettroni liberi: la radiazione cosmica di fondo che i telescopi misurano oggi viene da lì. Più tardi, quando le prime stelle si accesero, buona parte dell'idrogeno del mezzo intergalattico venne nuovamente ionizzato.

Allo stato libero l'idrogeno non esiste come atomo singolo ma come molecola biatomica, e questa molecola è il gas più leggero che si conosca. Da lì discendono insieme il suo fascino e i suoi problemi: solleva i palloni perché pesa poco, sfugge dai recipienti perché le sue molecole sono minuscole, e per liquefarlo bisogna scendere a una ventina di gradi sopra lo zero assoluto, il che rende lo stoccaggio in forma liquida un'impresa costosa. È leggerissimo in massa e ingombrante in volume, e quasi tutta la storia tecnologica dell'idrogeno è il tentativo di aggirare questa contraddizione.

La vicenda umana

La ricetta per produrre idrogeno è nota da secoli prima che qualcuno sapesse che cosa stesse producendo. Robert Boyle, intorno al 1671, descrive con precisione l'aria che si sviluppa versando olio di vitriolo — acido solforico — sulla limatura di ferro, ed è ancora oggi il modo da manuale di ottenerlo in laboratorio. Ma nel quadro concettuale del Seicento quella era aria comune modificata da qualcosa, non una sostanza nuova: mancava la categoria mentale in cui metterla. Boyle registra il fenomeno e passa oltre, senza sospettare di avere in mano il materiale di cui è fatto tre quarti dell'universo.

Eppure Boyle non era un dilettante, e la cosa rende il mancato riconoscimento più istruttivo. Dieci anni prima di quell'esperimento, nel Chimico scettico del 1661, aveva criticato apertamente gli esperimenti con cui «i volgari spagiristi sogliono sforzarsi di dimostrare che il loro Sale, Zolfo e Mercurio siano i veri Principi delle Cose» — cioè demolisce la triade di Paracelso che questo vault ha incontrato raccontando lo zolfo e il mercurio. Per Boyle la chimica era la scienza della composizione delle sostanze, non un'appendice alle arti dell'alchimista o del medico; sosteneva che gli elementi fossero i costituenti non scomponibili dei corpi materiali e distingueva le miscele dai composti. Aveva insomma la definizione moderna di elemento dieci anni prima di produrre l'idrogeno, e non ricondusse l'una all'altro.

Il riconoscimento arriva quasi un secolo dopo, e si deve a Henry Cavendish. Nel 1766 presenta alla Royal Society una memoria intitolata On Factitious Airs — sulle arie fittizie, cioè prodotte artificialmente — in cui tratta quell'aria infiammabile come una sostanza a sé: ne descrive la densità e osserva che bruciando forma acqua. Sono due passaggi diversi e ugualmente decisivi. Pesare un gas significa trattarlo come materia e non come qualità dell'aria; mostrare che la sua combustione produce acqua significa togliere all'acqua lo statuto di elemento. Lavoisier riprodusse poi l'esperimento e diede all'elemento il nome che porta.

Sul chi e sul quando, per una volta, le schede sono nette: la scoperta e il primo isolamento sono attribuiti a Cavendish nel 1766, il nome a Lavoisier nel 1783. Fu quest'ultimo, ripetendo con Laplace il risultato di Cavendish sulla formazione di acqua nella combustione, a identificare la sostanza come elemento e a chiamarla con una parola greca che significa «generatore d'acqua». Contrariamente a quanto accadde con l'ossigeno, qui il nome è azzeccato: l'idrogeno l'acqua la genera davvero. I due elementi che Lavoisier battezzò sono gli stessi due che compongono l'acqua, e solo per uno dei due il nome ha retto alla prova dei fatti.

C'è però un punto in cui anche Cavendish sbaglia, ed è istruttivo perché mostra quanto pesi la teoria che si ha in testa. Bruciando idrogeno in aria deflogisticata — cioè in ossigeno, come si sarebbe detto poco dopo — ottenne acqua pura. La conclusione che ne trasse non fu che l'acqua veniva sintetizzata a partire dai due gas, ma che la combustione dell'idrogeno la facesse condensare dall'aria, dove già si trovava. Alcuni fisici arrivarono a interpretare l'idrogeno come flogisto puro. Aveva in mano l'esperimento che demolisce l'acqua come elemento e lo lesse dentro la cornice che stava per crollare: esattamente come Scheele con l'ossigeno, raccontato in un altro approfondimento di questo vault.

Da quel risultato nacque una contesa di priorità che porta un nome proprio, la «controversia dell'acqua», e che ha la stessa struttura di quella sull'ossigeno. Cavendish comunicò le proprie conclusioni a Priestley entro il marzo del 1783, ma le pubblicò solo l'anno successivo; nel 1783 l'inventore scozzese James Watt pubblicò un articolo sulla composizione dell'acqua, e ne seguì una disputa su chi avesse fatto la scoperta per primo. Comunicare a voce a un collega non è pubblicare, e pubblicare non è capire: sono tre atti distinti, e la storia della scienza premia ora l'uno ora l'altro a seconda di chi scrive. Questo approfondimento registra la controversia senza scioglierla.

Nel 1787 Cavendish fu fra i primi fuori dalla Francia a convertirsi alla nuova teoria antiflogistica di Lavoisier, pur restando scettico sulla sua nomenclatura e obiettando in particolare all'idea che il calore avesse una base materiale. Su quel punto aveva ragione, e da molto tempo: fin dagli anni Sessanta del Settecento spiegava il calore come risultato del moto della materia. La teoria generale che ne sviluppò conteneva il principio della conservazione del calore — che sarebbe stato poi compreso come un caso della conservazione dell'energia — e perfino il concetto, senza il nome, dell'equivalente meccanico del calore. Anche questa, naturalmente, restò in un cassetto.

Vale la pena fermarsi su chi fosse quest'uomo, perché la sua figura non somiglia a nessun'altra di questo vault. Henry Cavendish nacque a Nizza nel 1731 e morì a Londra nel 1810; ereditò due fortune così grandi che Jean Baptiste Biot lo definì «il più ricco di tutti i dotti e il più dotto di tutti i ricchi». Alla sua morte era il maggior depositante della Banca d'Inghilterra. Non aveva bisogno di una cattedra, di un mecenate né di un premio: poteva permettersi di fare ricerca per sé, e fu esattamente quello che fece — con conseguenze che la storia della scienza sta ancora contabilizzando.

La sua timidezza è documentata in dettagli che sembrano inventati e non lo sono. Era a disagio in società e la evitava quando poteva; riusciva a parlare con una persona alla volta, e solo se la conosceva ed era un uomo. Conversava pochissimo, vestiva sempre un abito fuori moda e non sviluppò legami personali profondi al di fuori della famiglia. Con le domestiche comunicava soltanto per mezzo di biglietti scritti, e secondo un resoconto fece aggiungere alla propria casa una scala di servizio per non incontrare la governante, perché era particolarmente intimidito dalle donne. Era taciturno, solitario e considerato da molti eccentrico.

Il suo unico sbocco sociale era il club della Royal Society, i cui membri cenavano insieme prima delle riunioni settimanali. Cavendish non mancava quasi mai, ed era profondamente rispettato dai contemporanei; ma avvicinarlo richiedeva una procedura. Agli ospiti si consigliava di girargli attorno e poi parlare come se si stesse parlando «nel vuoto»: se le osservazioni erano scientificamente degne, si poteva ricevere una risposta borbottata. Più probabilmente, annotano le fonti, Cavendish non rispondeva affatto. I resoconti contemporanei della sua personalità hanno portato commentatori moderni, fra cui Oliver Sacks, a ipotizzare che fosse autistico.

La disposizione della sua casa dice tutto quello che si può dire su una vita. Solo una frazione dello spazio era riservata alla comodità personale: la biblioteca era in un edificio staccato, le stanze superiori e il prato servivano all'osservazione astronomica, e il salotto — la stanza che in ogni casa dell'epoca era destinata a ricevere — era un laboratorio, con una forgia nella stanza adiacente. Un uomo che poteva permettersi qualunque cosa aveva destinato la casa agli strumenti e tenuto per sé quel che avanzava.

C'è un episodio che dice tutto sulla qualità del suo lavoro. Dai propri esperimenti Cavendish concluse che l'aria comune è fatta di una parte di aria deflogisticata — ossigeno — mescolata a quattro di aria flogisticata, cioè azoto: una composizione sostanzialmente corretta. Nel farlo notò però un piccolo residuo che non riusciva a far reagire e che non sapeva spiegare, e lo annotò invece di ignorarlo. Negli anni Novanta dell'Ottocento, un secolo più tardi, i fisici britannici William Ramsay e Lord Rayleigh capirono che quel residuo problematico era un gas inerte appena scoperto, l'argon. Cavendish non aveva sbagliato: aveva misurato qualcosa che nessuno era in grado di identificare.

Le fonti descrivono il suo metodo in termini che oggi suonano ovvi e all'epoca non lo erano affatto: esperimenti quantitativi rigorosi, strumenti e procedure standardizzati, risultati concepiti per essere riproducibili, media dei risultati di più prove, identificazione delle fonti di errore e correzione per esse. È la ricetta del metodo sperimentale moderno, applicata nel Settecento da un uomo che non doveva convincere nessuno. La bilancia che usava, opera di un artigiano di nome Harrison, fu la prima delle bilance di precisione del suo secolo, accurata quanto quella di Lavoisier — della quale si è stimata una sensibilità di una parte su quattrocentomila.

Il prezzo di quel carattere lo ha pagato la storia della scienza, e il conto è stato presentato solo un secolo dopo. A causa del proprio comportamento asociale e riservato, Cavendish evitava spesso di pubblicare, e molte delle sue scoperte non le comunicò nemmeno ai colleghi. Alla fine dell'Ottocento, molto dopo la sua morte, James Clerk Maxwell esaminò le sue carte e vi trovò osservazioni e risultati per i quali il merito era stato attribuito ad altri. Non uno o due: un intero capitolo di fisica e di chimica, scritto e messo in un cassetto.

L'elenco di ciò che Cavendish aveva scoperto o anticipato senza dirlo merita di essere letto per intero, perché ogni voce è un nome che gli studenti imparano associato a qualcun altro. La legge delle proporzioni reciproche di Richter. La legge di Ohm. La legge di Dalton sulle pressioni parziali. I principi della conduttività elettrica, compresa la legge di Coulomb. La legge di Charles sui gas. Cinque leggi che portano cinque cognomi diversi, e nessuno di quei cognomi è il suo. Non per furto: per silenzio.

E non è finita nell'Ottocento. Un manoscritto intitolato «Heat», datato in via provvisoria fra il 1783 e il 1790, descrive una teoria meccanica del calore; era rimasto sconosciuto ed è stato analizzato solo all'inizio del ventunesimo secolo. Lo storico della scienza Russell McCormmach ha proposto che «Heat» sia l'unica opera del Settecento che prefiguri la termodinamica. Duecentodieci anni fra la scrittura e la lettura: il manoscritto era lì tutto il tempo, e la disciplina che avrebbe potuto nascerne è stata costruita da capo da altri, un secolo più tardi.

L'impresa per cui è più giustamente ricordato non riguarda l'idrogeno ma la gravità, e ha una qualità che la rende quasi assurda: Cavendish pesò la Terra da dentro una stanza. Fra il 1797 e il 1798 realizzò il primo esperimento capace di misurare la forza di gravità fra masse in laboratorio, e il primo a fornire valori accurati per quella che oggi chiamiamo costante gravitazionale. Nelle convenzioni dell'epoca la costante non compariva esplicitamente: il risultato fu espresso come densità relativa della Terra, che è poi equivalente alla sua massa. La domanda «quanto pesa il pianeta» ha ricevuto la sua prima risposta seria da una bilancia di torsione dentro una cassa di legno.

Lo strumento è di una semplicità che sconcerta. Due piccole sfere di piombo appese alle estremità di un'asta di legno lunga sei piedi, sospesa al centro da un sottile filo di torsione; il tutto protetto dalle correnti d'aria dentro una cassa di legno. Due masse grandi, appese a un sostegno separato, attirano le piccole e fanno ruotare l'asta di pochissimo; la rotazione si legge su scale a nonio poste alle due estremità. Spostando le masse grandi dall'altra parte, l'asta ruota nell'altro senso. È tutto qui: due palle di piombo, un filo e la pazienza di misurare uno spostamento minuscolo senza che una corrente d'aria lo rovini.

Il risultato regge il confronto con due secoli di strumentazione successiva. Cavendish trovò che la densità della Terra era 5,448 volte quella dell'acqua, con un'incertezza dichiarata di trentatré millesimi; il valore accettato oggi è 5,514. Convertito in unità moderne, il suo dato dà per la costante gravitazionale un valore che differisce di appena l'uno per cento da quello raccomandato dal CODATA nel 2014. C'è anche un dettaglio che lo rende più umano: nell'articolo pubblicato comparve il valore errato 5,480, per un semplice errore aritmetico che Francis Baily scoprì soltanto nel 1821.

L'impatto industriale e sociale

L'uso che ha cambiato il mondo più di ogni altro non riguarda l'energia ma il cibo. L'azoto atmosferico è inerte e le piante non lo sanno usare; per renderlo disponibile bisogna fissarlo, cioè combinarlo con l'idrogeno in ammoniaca, e la reazione richiede pressioni e temperature che l'Ottocento non sapeva ottenere. Il processo Haber-Bosch le ottiene, e da lì escono i fertilizzanti azotati. È la ragione per cui la quota maggiore dell'idrogeno prodotto nel mondo non finisce in un motore ma in un reattore chimico.

Per capire che cosa significhi fissare l'azoto bisogna sapere dove lo si prendeva prima. Le due fonti erano il guano peruviano, i cui giacimenti — dodici milioni e mezzo di tonnellate — si esaurirono nel giro di qualche decennio dopo aver fatto la fortuna economica del Perù, e il salnitro del deserto di Atacama, nitrato di sodio, che serviva tanto come fertilizzante quanto, convertito in acido nitrico, come precursore di esplosivi potenti come la nitroglicerina e la dinamite. Quel doppio uso rese quei depositi una posta strategica: nel 1879 Bolivia, Cile e Perù entrarono in guerra per il possesso dell'Atacama, in quella che è passata alla storia come la Guerra del Salnitro.

Il processo Haber-Bosch chiude quella dipendenza da un colpo solo, rendendo economicamente conveniente fissare l'azoto atmosferico sotto forma di ammoniaca. Le fonti storiche non usano mezzi termini nel valutarlo: consente la sintesi industriale tanto dei fertilizzanti azotati quanto di vari esplosivi, ed è probabilmente il più importante processo industriale sviluppato nel corso del ventesimo secolo. L'ambivalenza è nella frase stessa, e non è un caso: la stessa ammoniaca che concima un campo, ossidata, diventa acido nitrico, e l'acido nitrico è la strada per gli esplosivi. Il pane e le bombe escono dallo stesso impianto.

La difficoltà tecnica sta tutta nel catalizzatore, e il modo in cui lo si fabbrica dice quanto sia delicato l'equilibrio. Si parte da magnetite ad alta purezza, la si porta a circa tremilacinquecento gradi e la si raffredda rapidamente per ottenere il precursore giusto; poi la si riduce solo in parte, così che ogni granello resti fatto di un nucleo di magnetite, un guscio di wüstite e uno strato esterno di ferro metallico. Il trucco è che durante la riduzione il materiale conserva quasi tutto il proprio volume, e ne risulta una struttura altamente porosa con una superficie enorme. Il ferro raccontato in un altro approfondimento di questo vault è qui in veste di catalizzatore, e il suo rendimento dipende da come è stato raffreddato.

Quanto conti quella reazione lo dice una cifra che andrebbe ripetuta più spesso: quasi il cinquanta per cento dell'azoto presente nei tessuti umani proviene dal processo Haber-Bosch. Metà degli atomi di azoto del corpo di chi legge è passata per un impianto chimico. Le fonti chiamano quel processo il «detonatore dell'esplosione demografica», perché ha consentito alla popolazione mondiale di passare da 1,6 miliardi nel 1900 a 7,7 miliardi nel novembre 2018. È l'unico caso in cui una singola reazione chimica compare, nelle fonti, come spiegazione della demografia mondiale.

Il conto di quella abbondanza si paga in due valute. La prima è energia: nel 2018 il processo produceva duecentotrenta milioni di tonnellate di ammoniaca anidra all'anno e consumava fra il tre e il cinque per cento della produzione mondiale di gas naturale, perché è dal metano che si ricava l'idrogeno necessario. La seconda è ambientale: l'efficienza d'uso dell'azoto in agricoltura è tipicamente inferiore al cinquanta per cento, e il dilavamento dai campi dell'azoto fissato industrialmente altera gli habitat biologici. Metà di quello che spargiamo non arriva alle piante e finisce nelle acque.

L'uomo che rese possibile quel processo è una delle figure più difficili della storia della scienza. Fritz Haber ricevette il Nobel per la chimica nel 1918 per la sintesi dell'ammoniaca, ed è stato definito uno degli scienziati e dei chimici industriali più importanti della storia umana. Lo stesso Haber, nazionalista tedesco dichiarato, è considerato il «padre della guerra chimica» per gli anni di lavoro pionieristico dedicati a sviluppare e trasformare in armi il cloro e altri gas velenosi durante la prima guerra mondiale: fu lui a proporre per primo l'uso del cloro, più pesante dell'aria, per rompere lo stallo delle trincee nella seconda battaglia di Ypres.

La conclusione della sua storia è di quelle che nessuna narrazione morale riesce a ordinare. Il lavoro di Haber fu poi usato, senza il suo coinvolgimento diretto, per sviluppare il pesticida Zyklon B, impiegato per uccidere più di un milione di ebrei nelle camere a gas durante la Shoah. Haber era ebreo. Dopo l'ascesa dei nazisti al potere, nel 1933, si dimise dal proprio incarico; già in cattive condizioni di salute, passò del tempo in vari paesi e morì a Basilea nel gennaio del 1934. L'idrogeno combinato con l'azoto ha nutrito metà del mondo e il chimico che lo ha reso possibile è morto in esilio, mentre la sua chimica veniva usata per sterminare il suo popolo.

C'è un impiego dell'idrogeno che quasi tutti hanno in cucina senza saperlo. L'industria alimentare idrogena gli oli vegetali per trasformarli in grassi solidi o semisolidi, adatti a creme spalmabili, dolciumi, prodotti da forno e margarina. Il meccanismo è semplice: gli oli vegetali sono fatti di acidi grassi polinsaturi, cioè con più doppi legami fra atomi di carbonio, e l'idrogenazione ne elimina una parte, alzando il punto di fusione del prodotto. Un liquido diventa una pasta perché gli si aggiunge idrogeno. La stessa reazione, applicata ai composti nitro, dà le ammine, e da lì l'anilina che sta alla base dell'industria dei coloranti.

L'immagine che il pubblico associa all'idrogeno risale però al 6 maggio 1937. Il dirigibile LZ 129 Hindenburg — capofila della sua classe, la più lunga macchina volante mai costruita e il più grande dirigibile per volume dell'involucro — prese fuoco mentre tentava l'attracco al pilone di ormeggio di Lakehurst, nel New Jersey. A bordo c'erano novantasette persone, trentasei passeggeri e sessantuno membri d'equipaggio; i morti furono trentacinque a bordo più uno a terra, e sessantadue persone sopravvissero. Le riprese cinematografiche fecero il resto: l'epoca dei dirigibili passeggeri finì in poche decine di secondi di pellicola.

C'è un dato che rimette le cose in proporzione e che quasi nessuno conosce. Quello dello Hindenburg è il disastro di dirigibile più ricordato, ma non è il peggiore: poco più del doppio delle vittime — settantatré persone su settantasei a bordo — erano morte quattro anni prima, il 4 aprile 1933, quando il dirigibile da ricognizione della marina statunitense USS Akron precipitò in mare al largo della costa del New Jersey. L'Akron era gonfiato a elio. Il gas inerte non lo aveva salvato, e quel disastro non ha chiuso nessuna epoca perché non c'erano cineprese ad aspettarlo all'ormeggio.

Sulla causa dell'incendio esiste una tesi alternativa che va riportata con precisione, perché viene spesso citata male. Nel 1996 lo scienziato della NASA in pensione Addison Bain propose l'ipotesi della vernice incendiaria: il composto usato per trattare il rivestimento del dirigibile sarebbe stato la causa del fuoco, e lo Hindenburg sarebbe bruciato anche se fosse stato riempito di elio. L'ipotesi riguarda però l'innesco e la propagazione del fronte di fiamma, non la provenienza della maggior parte del materiale che bruciava: una volta partito l'incendio, l'idrogeno deve chiaramente avere bruciato. La tesi è dibattuta, e chi la cita per dire che «non fu colpa dell'idrogeno» le fa dire più di quanto affermi.

Le controversie

Nel 1935 i fisici Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington previdero che sotto una pressione immensa, che stimarono intorno alle duecentocinquantamila atmosfere, l'idrogeno avrebbe mostrato proprietà metalliche: invece di molecole distinte si sarebbe formata una fase con un reticolo solido di protoni e gli elettroni delocalizzati in tutto il volume, che è esattamente la definizione di un metallo. La stima iniziale della pressione necessaria si rivelò poi troppo bassa, e da allora produrre idrogeno metallico in laboratorio è stato descritto come «il sacro Graal della fisica delle alte pressioni». Gli annunci si sono susseguiti e altrettante volte sono stati contestati: a quelle pressioni il campione è minuscolo e distinguere il metallo da un artefatto è difficilissimo.

La questione non è accademica, perché quella fase si ritiene esista in grandi quantità là dove nessuno può andare a verificarla. Si pensa che la struttura interna di Giove consista in un mantello esterno di idrogeno metallico fluido attorno a un nucleo diffuso di materiale più denso, e che sia proprio in quel fluido conduttore che si generano le correnti responsabili del campo magnetico del pianeta: il più forte del sistema solare e la seconda struttura contigua per dimensioni dopo l'eliosfera. Una sostanza prevista dalla teoria nel 1935, mai prodotta in laboratorio in modo indiscusso, e alla quale si attribuisce il magnetismo del pianeta più grande che abbiamo.

C'è un problema che rende l'idrogeno difficile da maneggiare più dell'infiammabilità, e si chiama infragilimento. Gli atomi di idrogeno sono piccoli abbastanza da permeare i metalli solidi, e una volta assorbiti abbassano lo sforzo necessario perché una cricca si inneschi e si propaghi: il metallo perde duttilità e cede sotto carichi che avrebbe retto. Colpisce gli acciai, il ferro, il nichel, il titanio, il cobalto e le loro leghe, mentre rame, alluminio e acciai inossidabili sono in genere meno sensibili; ed è massimo, negli acciai, proprio intorno alla temperatura ambiente. I fatti essenziali sono noti dall'Ottocento, il che rende meno sorprendente che non si possa semplicemente riempire di idrogeno la rete del gas esistente.

Nel dibattito sull'energia l'idrogeno viene classificato per colori, e conviene conoscerli perché è lì che si gioca tutto. Grigio è quello ricavato per reforming a vapore del gas naturale, che produce molta anidride carbonica; blu è lo stesso processo con cattura e stoccaggio del carbonio, che ne produce poca ma richiede reti di stoccaggio che in gran parte non esistono; nero e marrone sono quelli da carbone e lignite, con emissioni altissime; verde è quello ottenuto per elettrolisi dell'acqua con elettricità rinnovabile. Ci sono anche il turchese, dalla pirolisi del metano, che lascia carbonio solido invece che gassoso, e il rosso, da calore nucleare. Sette colori, la stessa formula chimica, implicazioni climatiche opposte.

La ragione per cui quasi tutto l'idrogeno del mondo è ancora grigio non è l'inerzia ma la termodinamica, ed è bene dirla chiaramente. Ricavare idrogeno dal metano non richiede energia aggiuntiva oltre al combustibile fossile stesso, perché quella energia è già nella molecola; scomporre l'acqua, invece, richiede un ingresso di elettricità o di calore che qualcuno deve produrre. Il primo processo è in discesa, il secondo in salita. A questo si aggiunge un dettaglio che le fonti annotavano al 2020: il passaggio di sequestro del carbonio, quello che dovrebbe trasformare l'idrogeno grigio in blu, non era in uso commerciale.

La strada opposta — non bruciare idrogeno per fare acqua ma scindere l'acqua per fare idrogeno — ha una storia che corre parallela a quella dell'elettricità, e la segue a pochi passi di distanza. Nel 1789 Jan Rudolph Deiman e Adriaan Paets van Troostwijk scomposero l'acqua usando una macchina elettrostatica e degli elettrodi d'oro dentro una bottiglia di Leida. Nel 1800 Alessandro Volta inventò la pila, e poche settimane dopo gli inglesi William Nicholson e Anthony Carlisle la usarono per elettrolizzare l'acqua: la prima cosa che si fece con la prima sorgente stabile di corrente continua fu spezzare una molecola d'acqua. L'elettrolisi diventò un metodo economico per produrre idrogeno solo nel 1869, con la macchina di Zénobe Gramme.

Il vantaggio dell'elettrolisi è chiaro: la reazione di scissione dell'acqua non produce gas serra, quindi l'impronta emissiva può essere inferiore a quella dei processi che ricavano idrogeno dai fossili. Il problema è l'efficienza, e ha una radice fisica precisa: elettrolizzare acqua pura richiede energia in eccesso, sotto forma di sovratensione, per superare varie barriere di attivazione. Senza quel surplus la reazione procede lentamente o non procede affatto. Massimizzare l'efficienza elettrica e ridurre il costo dei materiali degli elettrolizzatori è oggi uno dei problemi di ricerca centrali dell'ingegneria chimica e della scienza dei materiali: non è una questione di volontà politica, è una questione di catalizzatori.

L'idea di ricavare elettricità direttamente dall'idrogeno, senza passare da una fiamma, ha quasi due secoli. Le prime celle a combustibile furono inventate da Sir William Grove, fisico e avvocato gallese, che ne scrisse in una lettera dell'ottobre 1838 pubblicata in dicembre: usava lastre di ferro, rame e porcellana e una soluzione di solfato di rame e acido diluito. Sulla stessa rivista, in una lettera scritta nel dicembre di quell'anno, interveniva un chimico tedesco che questo vault ha già incontrato: Christian Friedrich Schönbein, lo stesso che nel 1839 avrebbe isolato l'ozono e gli avrebbe dato il nome. Due lettere sulla stessa rivista, e due pezzi della storia dell'ossigeno e dell'idrogeno.

Una cella a combustibile si distingue da una batteria per un dettaglio che cambia tutto: la batteria contiene già dentro di sé le sostanze da cui ricava energia, la cella invece va alimentata dall'esterno e produce elettricità finché le si forniscono combustibile e ossigeno. Il primo uso commerciale arrivò quasi un secolo dopo Grove, con la cella idrogeno-ossigeno di Francis Thomas Bacon nel 1932; la cella alcalina che porta il suo nome alimenta i programmi spaziali della NASA dalla metà degli anni Sessanta, fornendo energia a satelliti e capsule. L'efficienza energetica si colloca in genere fra il quaranta e il sessanta per cento, e recuperando il calore di scarto in cogenerazione può arrivare all'ottantacinque.

Il problema pratico dell'idrogeno non è produrlo ma tenerlo da qualche parte, e le cifre dicono perché. Nei veicoli si usano serbatoi in composito di carbonio a trecentocinquanta bar, e più spesso a settecento: settecento volte la pressione atmosferica dentro un recipiente che viaggia su strada. L'alternativa è liquefarlo, il che richiede di scendere a meno duecentocinquantatré gradi — il gas naturale liquefatto, per confronto, si conserva a meno centosessantadue — e comporta una perdita di efficienza che nel caso migliore è di circa il tredici per cento dell'energia contenuta. Nessuna delle due strade è comoda, ed è questo, più dell'infiammabilità, a frenarne l'uso diffuso.

C'è poi un dato che raramente entra nel dibattito pubblico e che dovrebbe. Essendo la molecola più piccola che esista, l'idrogeno sfugge facilmente dai recipienti e durante i travasi: una parte di quello che si produce si perde per strada, inevitabilmente. E l'idrogeno disperso non è neutro per il clima. Non contribuisce direttamente all'effetto serra, ma se ne stima un potenziale di riscaldamento globale a cento anni pari a 11,6 con un'incertezza di 2,8, perché interferisce con processi atmosferici come l'ossidazione del metano e la produzione di ozono troposferico. Un vettore energetico che perde per strada un gas con un potenziale climatico di undici volte quello dell'anidride carbonica va progettato con attenzione.

Sulle automobili il verdetto del mercato è già arrivato, e le cifre non lasciano molto spazio all'interpretazione. Alla fine del 2022 nel mondo erano stati venduti 70.200 veicoli leggeri a celle a combustibile, contro ventisei milioni di veicoli elettrici a batteria; nel 2023, negli Stati Uniti, 3.143 auto a idrogeno contro 380.000 elettriche. Le fonti annotano che, con la rapida crescita dei veicoli elettrici e della relativa tecnologia di accumulo e infrastruttura, lo spazio globale per l'idrogeno nelle automobili si sta riducendo rispetto alle attese di un tempo. Il primo veicolo stradale a celle a combustibile, per inciso, fu il Chevrolet Electrovan presentato dalla General Motors nel 1966: sono sessant'anni di promesse.

C'è poi il dato che rende molte discussioni oziose finché non cambia: al 2019 il novantotto per cento dell'idrogeno prodotto nel mondo veniva dal reforming a vapore del metano, che emette anidride carbonica. Le alternative esistono — elettrolisi dell'acqua, vie termochimiche o pirolitiche a partire da materie prime rinnovabili — ma al momento sono costose. Finché quel novantotto per cento non scende, discutere se l'idrogeno sia un combustibile pulito significa discutere di una sostanza che nella pratica è un derivato del gas naturale. Il vantaggio ambientale non sta nella molecola: sta in come la si è fatta.

L'espressione «economia dell'idrogeno» ha una data e un luogo di nascita che dicono qualcosa: John Bockris la usò in una conferenza del 1970 al centro tecnico della General Motors. La sua idea era un'economia in cui l'idrogeno, sostenuto da energia nucleare e solare, avrebbe risposto alle preoccupazioni crescenti per l'esaurimento dei combustibili fossili e l'inquinamento — e, dettaglio che vale la pena sottolineare perché il dibattito attuale lo dimentica, facendo da vettore energetico «per gli usi finali in cui l'elettrificazione non fosse adatta». Nella formulazione originaria, l'idrogeno era il complemento dell'elettricità, non il suo concorrente.

Su dove convenga davvero usarlo le prove sono più nette di come il dibattito pubblico le racconta, e vale la pena riportarle. Una rassegna di trentadue studi indipendenti da interessi commerciali, dedicata all'idrogeno per riscaldare gli edifici, ha trovato che sul piano economico e climatico regge molto male il confronto con le reti di teleriscaldamento, con l'elettrificazione del riscaldamento tramite pompe di calore, con il solare termico, con il recupero del calore di scarto e con le misure di efficienza energetica. Le cifre spiegano perché: a causa delle inefficienze di produzione, sostituire il gas naturale con idrogeno blu richiederebbe tre volte tanto metano, e usare idrogeno verde richiederebbe due o tre volte l'elettricità che consumerebbe una pompa di calore. Restano gli usi in cui alternative dirette non esistono — l'ammoniaca, le raffinerie, l'acciaio — e lì il consenso è ampio.

L'eredità contemporanea

L'idrogeno ha un secondo isotopo stabile, il deuterio, il cui nucleo contiene un neutrone oltre al protone; il nome viene dal greco deuteros, «secondo». Lo scoprì il chimico americano Harold Urey nel 1931, producendo insieme ad altri campioni di acqua pesante in cui l'isotopo era fortemente concentrato, e nel 1934 ne ebbe il Nobel. La quasi totalità del deuterio presente in natura fu sintetizzata nel Big Bang 13,8 miliardi di anni fa, e da allora il rapporto è rimasto quello: circa ventisei nuclei di deuterio ogni milione di nuclei di idrogeno. Le stelle ne producono, ma lo distruggono subito in reazioni di fusione: quello che c'è è quasi tutto reliquia.

La differenza di massa fra i due isotopi — uno contro due — è la più grande che esista fra isotopi di uno stesso elemento, e produce un effetto che negli altri elementi non si osserva: le proprietà chimiche cambiano in modo misurabile. L'acqua fatta con deuterio al posto dell'idrogeno ordinario si chiama acqua pesante, congela e bolle a temperature diverse da quella comune e rallenta le reazioni biologiche. Negli altri elementi sostituire un isotopo con un altro non cambia praticamente nulla; nell'idrogeno raddoppiare la massa del nucleo si sente, perché quel nucleo è quasi tutto l'atomo.

Quell'acqua è anche il motivo per cui un isotopo dell'idrogeno è finito dentro la seconda guerra mondiale. Nel 1934 la Norsk Hydro costruì a Vemork, in Norvegia, il primo impianto commerciale per l'acqua pesante, che arrivò a produrne quattro chilogrammi al giorno; dal 1940 lo stabilimento passò sotto controllo tedesco, e gli Alleati decisero di distruggerlo per ostacolare lo sviluppo di armi nucleari da parte della Germania. Il primo tentativo, l'operazione Freshman di fine 1942, fallì: entrambi gli alianti si schiantarono e gli incursori morirono nello schianto o furono poi giustiziati dai tedeschi. Un liquido che differisce dall'acqua comune per un neutrone per molecola è costato vite umane prima ancora di finire in un reattore.

La reazione che accende il Sole è la catena protone-protone, che domina alla temperatura del suo nucleo, quindici milioni e mezzo di gradi, e nelle stelle di massa non superiore alla sua. C'è però un dettaglio che spiega perché le stelle durino miliardi di anni invece di esplodere in una settimana: il primo passaggio è rarissimo. Quando due protoni si scontrano, il risultato più comune è un diprotone, che decade quasi immediatamente in due protoni; solo di rado si forma un deutone, che è il passo necessario per proseguire. La conversione di idrogeno in elio è lentissima proprio per questo, ed è quella lentezza a rendere possibile una biosfera.

Il terzo isotopo dell'idrogeno si chiama trizio, dal greco per «terzo», e ha due neutroni accanto al protone. È raro fino all'assurdo: l'abbondanza naturale è dell'ordine di uno su un miliardo di miliardi di atomi di idrogeno. Ed è radioattivo, con un'emivita di poco più di dodici anni, al termine dei quali decade in elio-3. Quei due dati insieme spiegano perché esista in quantità così piccole: anche se se ne formasse in continuazione, sparirebbe nel giro di qualche decennio. È l'unico isotopo radioattivo dell'idrogeno che si trovi in natura — in laboratorio se ne sono sintetizzati altri, ancora più pesanti, che durano frazioni infinitesime di secondo — e la fusione controllata ne ha bisogno proprio perché è quello che reagisce più facilmente.

Riprodurre quella reazione sulla Terra in modo controllato è il problema tecnologico aperto da più tempo e con più risorse impegnate della storia recente, e non si affronta con l'idrogeno ordinario: gli impianti sperimentali usano deuterio e trizio, perché la loro reazione ha una soglia energetica accessibile. Il trizio, però, è radioattivo e in natura praticamente non esiste: va prodotto. L'elemento più semplice e più abbondante dell'universo mette a disposizione l'energia più grande dietro la barriera tecnica più alta, e per arrivarci bisogna fabbricare uno dei suoi isotopi più rari.

C'è infine un'eredità che non riguarda l'elemento ma un legame che porta il suo nome, ed è forse la più pervasiva di tutte. Il legame a idrogeno si forma quando un atomo di idrogeno legato a un atomo elettronegativo viene attratto da un altro atomo elettronegativo che possiede una coppia solitaria di elettroni — l'azoto delle ammine e delle ammidi, l'ossigeno dell'acqua e dei carbossilati. È a quel legame che si devono il punto di ebollizione anomalamente alto dell'acqua, la stabilizzazione delle strutture delle proteine e degli acidi nucleici, e proprietà essenziali di materiali come la carta, la lana e gli idrogel.

Nei sistemi biologici quei legami fanno un lavoro che nessun legame più forte potrebbe fare: mediano il riconoscimento molecolare, la catalisi enzimatica e la replicazione del DNA. Il punto è la debolezza. Le coppie di basi del DNA sono tenute insieme da legami a idrogeno, e proprio per questo la doppia elica si può aprire per essere copiata e richiudere subito dopo: se fossero legami covalenti, replicare il genoma richiederebbe di spezzare la molecola. La vita usa l'idrogeno soprattutto come cerniera, e una cerniera funziona solo se tiene abbastanza e non troppo.

Anche le sue posizioni religiose erano considerate eccentriche per l'epoca: passava per agnostico, e il suo biografo George Wilson liquidò la questione con una frase che vale come ritratto: «Quanto alla religione di Cavendish, egli non era proprio niente». In un secolo in cui quasi ogni uomo di scienza britannico teneva a dichiarare la propria fede — Boyle era un anglicano devoto e scriveva di teologia, Priestley era un pastore — Cavendish non dichiarava nulla, di nessun genere. C'è però un dettaglio che lo rende improvvisamente umano: collezionava mobili pregiati, e comprò fra le altre cose una serie di dieci sedie intarsiate in legno di raso con divano abbinato.

Di quell'uomo restano due monumenti, ed entrambi portano la firma di chi gli ha restituito il merito. Il primo è una consuetudine: davanti alla casa in cui aveva condotto l'esperimento della bilancia di torsione, i passanti indicavano l'edificio e dicevano ai figli che lì era stato pesato il mondo. Il secondo è un'istituzione: il laboratorio di fisica dell'Università di Cambridge fu intitolato Cavendish Laboratory da James Clerk Maxwell, che ne fu il primo titolare di cattedra e ammiratore dichiarato di quel lavoro, grazie a una donazione di un discendente della famiglia. È lo stesso Maxwell che aveva curato la pubblicazione delle ricerche elettriche rimaste nei cassetti e dei suoi scritti scientifici.

Vale la pena notare come Lavoisier si procurasse l'idrogeno per i propri esperimenti sulla conservazione della massa, perché la reazione chiude un cerchio con un altro approfondimento di questo vault. Faceva passare un flusso d'acqua attraverso un tubo di ferro incandescente scaldato nel fuoco: a quella temperatura il ferro strappa l'ossigeno alle molecole d'acqua, ossidandosi, e libera idrogeno. È la stessa chimica che governa la ruggine, condotta a caldo e letta all'incontrario: non il ferro che si guasta, ma l'acqua che si scompone. Duecentocinquant'anni dopo, la siderurgia che cerca di decarbonizzarsi usa idrogeno per strappare l'ossigeno al minerale di ferro: la stessa coppia di elementi, con i ruoli invertiti.

Resta la figura da cui siamo partiti. Henry Cavendish scoprì l'idrogeno, pesò la Terra con due palle di piombo e un filo, anticipò cinque leggi che portano il nome di altri e scrisse un manoscritto sulla termodinamica che nessuno lesse per due secoli. Non pubblicò quasi nulla di tutto questo perché non gli interessava, o perché parlare gli costava troppo, o per entrambe le ragioni. La scienza è un'impresa collettiva e funziona solo se i risultati circolano: la storia di Cavendish è il controesempio che lo dimostra, perché tutto quello che lui aveva già trovato è stato ritrovato da capo, da altri, con altri decenni di lavoro. L'elemento più semplice dell'universo è stato riconosciuto da un uomo a cui, per parlare, bisognava rivolgersi nel vuoto.