Chimica e ferrovie.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Claudio Della Volpe

E’ sicuro che i legami fra chimica e ferrovia ci sono e sono tanti; basti pensare alla storia delle ferrovie e al ruolo del carbone come sorgente di energia delle locomotive; ma oggi vi parlerò di tutt’altro, un legame più nascosto e per certi versi inaspettato.

Le ferrovie sono un sistema di trasporto inventato in Inghilterra ed usato con trazione a cavalli per il trasporto del carbone nelle miniere; tuttavia di solito si intende con ferrovia il trasporto di merci e persone su strada ferrata come inventato da Richard Trevithick nel 1804, la prima linea fu costruita nel 1825; e risale al 1829 la famosa gara di Rainhill in Inghilterra per individuare la futura locomotiva adatta a percorrere la linea Liverpool – Manchester vinta da George Stephenson che costruì la Rocket nel 1829, capace di raggiungere i 48 km/h e i 28 km/h con un convoglio di 17 tonnellate.

Tutto ciò era basato sull’uso di binari e di ruote di acciaio; e quindi siamo sicuri che la chimica c’entra eccome, ma ancora una volta non vorrei parlarvi di questo, ma di un elemento molto più modesto e per certi aspetto nascosto: come sono posate le rotaie?

La tipica immagine della ferrovia è questa: due binari che vanno all’infinito, poggiati su traversine di umile legno; ancora oggi le traversine di legno hanno un ruolo determinante nella costruzione delle ferrovie, anche se il cemento e perfino la plastica ne stanno incrinando il dominio pressocchè assoluto fino a pochi anni fa.

Senonchè il legno non è molto duraturo; anche la quercia o il castagno o il faggio non sono in grado di resistere a lungo in quelle condizioni di sollecitazione non tanto meccanica ma chimica, all’interfaccia fra aria e terra, esposte all’acqua e ai batteri; il legno sottoterra, in ambiente anossico è duraturo; le navi del passato ci arrivano spesso in questo modo, nascoste sotto il suolo, ma poi in presenza di aria e degli altri componenti della biosfera la loro vita si accorcia; ci sono esempi eccezionali di durabilità come il legno delle palafitte; nella mia regione, il Trentino le palafitte del lago di Ledro hanno lasciato pali ancora conservati dopo millenni. Tuttavia la situazione delle traversine è critica.

Per questo motivo le traversine di legno sono di solito trattate con agenti conservanti, che sono sostanze naturali o di sintesi o estratte da altre sostanze che prolungano la vita del legno di 20-40 volte.

Nel caso delle traversine ferroviarie c’è una lunga e complessa storia che è stata raccontata in vari testi (Journal of Transportation Technologies, 2013, 3, 149-161   – oppure Date nails and railroad tie preservation di Jeff Oaks, Preside del Dipartimento di Matematica dell’Università di Indianapolis, http://pages.uindy.edu/~oaks/Resources.htm – Thebook) che inizia praticamente appena dopo l’invenzione delle ferrovie; nel 1838 esistevano già il trattamento Burnett con il cloruro di zinco, Margary, solfato di rame, Kyan, cloruro di mercurio e Bethell, olio di creosoto o olio minerale. Nel corso del tempo ne sono stati inventati ed esplorati molti altri, ma nonostante oggi si tenda a montare traversine di cemento precompresso in vari paesi oppure traversine di gomma ed acciaio, alcune delle quali recentemente insignite del titolo di invenzione dell’anno, di fatto il trattamento al creosoto è stato dominante per molti decenni e la maggior parte delle traversine di legno che vedete o avete visto sono state trattate con questo materiale nelle sue varie versioni.

L’odore del creosoto minerale estratto dal carbone è l’odore delle stazioni, quello che avete imparato, fin da bambini, ad associare alle stazioni italiane e che sentite ancora oggi quando siete sui binari ad aspettare un treno nella maggior parte dei casi.

Ma cosa è il creosoto?

Si tratta di un termine comune e non preciso che di fatto indica almeno due diversi tipi di miscele complesse ottenute per distillazione o dalla legna o da catrami minerali.

• Il derivato minerale contiene fenoli, derivati del fenolo (), cresoli (fenoli caratterizzati dalla presenza di un sostituente metilico) e IPA, idrocarburi policiclici aromatici, che sono generalmente planari a meno di impedimenti sterici, e sono costituiti da un gruppo di atomi di carbonio ibridati sp², legati tra loro in anelli condensati ovvero che hanno in comune almeno due atomi di carbonio adiacenti. Gli IPA sono molto pericolosi in quanto possono intercalarsi nel DNA e modificare la genetica cellulare.

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  Corannulene, un IPA.

Si tratta di un liquido, poco solubile in acqua ma solubile in solventi organici. Usato principalmente come preservante del legno.

• Il più comune derivato dal legname è un miscuglio di fenoli ed eteri fenolici che si ottiene dalla distillazione tra 200-225 °C del legno di faggio. È un liquido incolore, poco solubile in acqua e solubile in solventi organici. Contiene il 50-60% di guaiacolo o 2-metossifenolo e creosolo o 2-metossi-4-metilfenolo .

Ancora oggi usato in medicina per il suo potere antisettico, anticatarrale e antipiretico, viene tuttora utilizzato anche in endodonzia come disinfettante nelle otturazioni provvisorie .

Gli IPA non sono generalmente presenti in questa seconda miscela e il creosolo e il guaiacolo, pur essendo acutamente tossici a certe concentrazioni, non sono al momento ritenuti cancerogeni; al contrario a certe concentrazioni più basse e in determinati distretti organici sono stati e sono ancora usati come farmaci, il che tutto sommato avviene anche per altre sostanze; in questo senso non sono diversi da un antibiotico o perfino da un antitumorale: è la dose che fa il veleno.

Su questa base occorre dunque fare una attenta distinzione fra i due tipi di distillati; a riguardo si può vedere questo documento sia pur non recentissimo del U.S. DEPARTMENT OF HEALTH AND HUMAN SERVICES

Viceversa gli IPA che si ritrovano e anche in modo relativamente abbondante nel creosoto derivato dalla distillazione del carbon fossile sono in molti casi cancerogeni dichiarati; questa consapevolezza ha condotto a varie decisioni che si sono succedute nel tempo; per esempio il legno trattato con creosoto a causa dell’abbondante rilascio di creosoto nel terreno è stato considerato al momento della sua dismissione un rifiuto tossico e un materiale non riciclabile se non in determinati casi e a certe condizioni (uso industriale essenzialmente); inoltre si è cercato di ridurne l’uso; si veda per esempio il documento UE del 2011

In uno studio recente tuttavia anche i limiti di concentrazione degli IPA ivi fissati (50ppm di benzo[a]pirene, 0.00005%) si è dimostrato che sono troppo alti.

In definitiva le traversine trattate con creosoto sono cancerogene, sono rifiuti complessi da gestire, sarebbe il caso di non usarne più, ma di fatto al momento non abbiamo in molti casi valide alternative; quali potrebbero essere i potenziali sostituti?

Gli studi di LCA, come quello indicato sopra su JTT potrebbero soffrire di conflitti di interesse. Rimane che l’acciaio, il cemento precompresso e più recentemente traversine di materie plastiche (con il limite degli 80km/h del treno) sono già disponibili; un inventore italiano sta poi sviluppando una traversina con l’anima di acciaio e rivestita dalla gomma di pneumatico usata; sembrerebbe con in più l’opzione di un dispositivo piezoelettrico per recuperare energia quando il treno ci passa sopra; questo ultimo effetto mi ricorda un pò l’idea dei dispositivi frena traffico per “recuperare energia”; quella energia viene di fatto da una azione di frenamento sul convoglio, velocità o meglio quantità di moto che ha senso recuperare se il convoglio (o l’auto) frena, si ferma, ma non se fa la sua strada; vedremo cosa succederà. Certo è che anche nel campo ferroviario la chimica è stata ed è utile ma a condizione di non esagerare e di considerare con attenzione costi e benefici; e chi meglio di noi potrebbe commentare questo argomento?

A voi la parola.

http://ec.europa.eu/health/scientific_committees/environmental_risks/opinions/sctee/sct_out29_en.htm