Qual è l'origine del carburante diesel?

Nel 1892, l'inventore Rudolf Diesel ha creato un nuovo prodotto rivoluzionario carburante che oggi porta il suo nome. La sua invenzione, come accade tipicamente nelle scienze fisiche, fu il culmine di anni di lavoro duro, ripetitivo e finanziariamente poco gratificante.

Diesel è stato ispirato per la prima volta da una lezione di termodinamica al Politecnico Reale Bavarese di Monaco, nella sua nativa Germania. (Termodinamica è lo studio della relazione tra il calore e le varie altre forme di energia.)

Diesel ha ottenuto ciò che ha fatto nella sua risoluta ricerca una sorta di "Santo Graal" della fisica: un motore a combustione che potrebbe convertire tutto il calore in lavoro utile e sarebbe quindi al 100% efficiente dal punto di vista meccanico. Questo era stato dimostrato dai fisici al teoricamente possibile, ma in termini pratici lo era, e anche oggi rimane nel migliore dei casi sfuggente.

Nonostante Diesel non raggiungesse questo ideale di efficienza, i suoi motori erano ancora due volte più efficienti dei loro predecessori: circa il 25 percento contro il 10 percento. Sfortunatamente, ha dovuto affrontare frequenti richieste di rimborso sui suoi prodotti e la sua vita è finita in povertà, secondo quanto riferito per sua stessa mano.

Ma il nuovo approccio su misura di Diesel all'accensione del carburante e l'invenzione del motore diesel rimangono estremamente importanti anche in un'epoca in cui le percezioni di combustibili fossili di ogni tipo sono diventate enormemente impopolari, anche se il loro uso continua in gran parte incontrollato.

"Energia" in fisica è un concetto centrale, ma un po' difficile da spiegare adeguatamente con le parole di tutti i giorni. L'energia ha unità di forza moltiplicate per la distanza, ma "appare" anche in una varietà di forme meno quantificabili. Fonti energetiche primarie includere energia nucleare, combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale) e le cosiddette fonti rinnovabili quali:

• **vento
  
• solare
  
• geotermico**
  
• idroelettrico energia

A partire dal 2016, circa l'81,5% dell'energia utilizzata negli Stati Uniti (il più grande consumatore mondiale di energia tra le nazioni) era derivata da combustibili fossili. Mentre si prevedeva che questo numero scendesse al di sotto del 77% entro il 2040, resta il fatto che l'industria non ci si aspetta che il mondo si liberi dalla sua dipendenza da petrolio, gas naturale e carbone in qualsiasi momento nel prevedibile futuro.

Questo nonostante le chiacchiere inflessibili, chiare ea volte molto stridenti dei media e del settore scientifico sul potenziale devastanti effetti ambientali del cambiamento climatico che dovrebbero manifestarsi sul serio nella seconda metà del presente secolo.

Mentre l'energia nucleare, la biomassa, l'energia idroelettrica e altre fonti rinnovabili sono cresciute fino a contribuire per quasi un quarto del Il fabbisogno energetico dell'America, solo la categoria "altre rinnovabili" dovrebbe crescere in modo significativo nei decenni a venire.

La maggior parte delle fonti elenca tre combustibili fossili come contributori alla macchina energetica umana globale: petrolio, gas naturale e carbone. (Un quarto, un prodotto petrolifero brevettato chiamato Orimulsion, è entrato in uso negli anni '80 ma è diventato un effettivo non-attore in il primo decennio del 21° secolo.) Insieme, questi rappresentavano i quattro quinti dell'approvvigionamento energetico del pianeta a partire dal 2019.

A parte tutte le controversie sulle conseguenze dell'uso dei combustibili fossili, senza di essi vivremmo in un mondo irriconoscibile per gli attuali viaggiatori della Terra. L'intera rete globale dei trasporti e delle comunicazioni dipende dalla propria fornitura di energia e la maggior parte delle i prodotti manifatturieri critici del mondo, come la plastica e l'acciaio, si affidano assolutamente ai combustibili fossili momento.

"Combustibili fossili" è un termine improprio, perché questi combustibili non provengono da fossili, che generalmente non sono nemmeno resti di esseri viventi di per sé, ma impressioni di quelle cose morte da tempo nelle rocce e nel suolo. I combustibili fossili provengono dal biomassa decaduta di animali e piante che visse molti milioni di anni fa, quindi i combustibili fossili e i fossili reali sono collegati in quanto entrambi servono come prove indirette dell'antica vita sulla Terra.

Il gasolio è una specie di petrolio, un termine usato in modo intercambiabile nel discorso quotidiano con "petrolio". Le caratteristiche essenziali dei tre principali combustibili fossili sono le seguenti:

Petrolio. Questo combustibile fossile è costituito principalmente dagli elementi carbonio e idrogeno, il che non sorprende, dato sia l'abbondanza di questi elementi sulla Terra in generale, sia la loro abbondanza negli esseri viventi in particolare. Si ritiene che la maggior parte di essa sia stata creata tra circa 252 milioni e 66 milioni di anni fa, quando una grande quantità di vita vegetale fu sepolta negli oceani di quel tempo inimmaginabilmente lontano.

Viene utilizzato il petrolio, o più precisamente, i molti diversi idrocarburi "oleosi" che si qualificano come petrolio per realizzare una serie di prodotti di uso quotidiano, tra cui benzina e olio da riscaldamento oltre al gasolio.

Attualmente, la combustione di questi combustibili è responsabile di oltre la metà delle emissioni di "gas serra" ricche di carbonio nell'atmosfera terrestre, a sua volta ritenuto uno dei principali contributori al continuo riscaldamento della superficie e degli habitat del pianeta che si sta verificando da decenni.

Il petrolio rappresentava circa il 35% dell'energia prodotta negli Stati Uniti a partire dal 2016, una statistica che dovrebbe rimanere stabile almeno fino al 2040.

Gas naturale. Questo combustibile fossile è noto per essere incolore e inodore, qualità che sono in netto contrasto con il petrolio, una sostanza notevolmente invadente sotto questi aspetti. Come il petrolio, si è formato milioni di anni fa dai resti di materia vegetale e animale, attraverso la chimica e meccaniche (es. pressione) che le hanno create non erano ovviamente identiche a quelle che hanno dato origine a olio.

La produzione di gas naturale è aumentata drammaticamente negli Stati Uniti nel secondo decennio del 21° secolo, un effetto quasi interamente attribuibile alla rapida diffusione dell'attuazione di "fracking."

Più propriamente chiamato fratture idrauliche, questa controversa tecnica di perforazione richiede molta acqua e può causare attività sismica (simile ai terremoti) nelle regioni colpite. Il gas naturale ha contribuito per circa un quarto della fornitura energetica degli Stati Uniti nel 2016, ma si prevede che raggiungerà il 35% del petrolio entro il 2040.

Carbone. Un tempo quasi l'unica fonte di combustibile per la generazione di elettricità nelle centrali elettriche, il carbone è persino più antico degli altri combustibili fossili, avendo iniziato a formarsi circa 360 milioni di anni fa. A differenza degli altri combustibili fossili, è stato anche compresso in una forma caratteristica, sebbene esistano vari sottotipi e siano classificati in base al contenuto di carbonio.

Il carbone fornisce attualmente circa un terzo dell'approvvigionamento energetico mondiale. Sebbene sia diminuito in termini di quota della torta energetica degli Stati Uniti dal 2010, il carbone rimane molto popolare in paesi con standard ambientali storicamente permissivi come la Cina.

Nonostante i frequenti proclami contrari del governo degli Stati Uniti a partire dal 2019, si prevede che l'uso del carbone calo, non solo per l'incremento dell'utilizzo delle rinnovabili, ma anche per la già citata impennata del gas naturale estrazione. Il carbone ha contribuito per circa il 15% alla fornitura energetica degli Stati Uniti nel 2016 e si prevede che il suo utilizzo continuerà a diminuire modestamente prima di stabilizzarsi intorno al 12% entro il 2040.

L'arco della vita di Rudolf Diesel si presenta come un resoconto tragico. Diesel era uno studente universitario in Germania nei primi anni 1870, in un momento in cui le grandi città cominciavano a essere sopraffatte dal pura quantità di letame generato dai cavalli che servono come mezzo principale per percorrere lunghe e brevi distanze allo stesso modo in queste aree urbane le zone.

Gli sforzi di Diesel per lanciare il motore a combustione a nuove vette di efficienza sono stati probabilmente ostacolati dal peso delle sue aspettative e da quelle di un pubblico consapevole dei suoi obiettivi. Nonostante abbia fatto grandi guadagni di efficienza (sebbene molto al di sotto delle aspirazioni di Diesel, i suoi motori erano più del doppio più efficienti delle versioni standard dell'epoca).

Nel 1913, circa 40 anni dopo aver iniziato il suo lavoro, Diesel morì in un apparente ma a volte contestato suicidio durante un viaggio in barca. Purtroppo, non ha mai visto decollare la sua classe di invenzioni negli anni '20 e '30.

Un motore diesel è un motore a combustione interna, il che significa che converte l'energia chimica dai legami nelle molecole di carburante in energia meccanica. Un albero di trasmissione è collegato a un pistone tramite una cerniera all'esterno dell'albero. Il pistone è all'interno di un cilindro in cui viene pompata o iniettata aria, specialmente ossigeno (necessario per la combustione) e carburante.

L'esplosione controllata all'interno del cilindro derivante da una pressione (e da questa temperatura) notevolmente aumentata spinge il pistone verso il basso, facendo ruotare l'albero, spingendo il pistone verso l'alto mentre l'albero completa una rotazione completa e viene pompato più carburante e aria. Questo ciclo può verificarsi fino a molte migliaia di volte al minuto.

La "magia" di un motore diesel è che, a differenza di un normale motore a combustione, non richiede alcuna accensione attiva del carburante. In un motore normale, la temperatura all'interno del cilindro non è abbastanza alta da consentire l'accensione del carburante senza l'ausilio di dispositivi elettrici, da qui le "candele", che rendono inutili le auto quando si guastano. In un motore diesel, l'aria è così fortemente compressa che il carburante si accende da solo ed è necessario meno carburante per ogni corsa del motore, migliorando notevolmente l'efficienza del carburante.

La maggiore efficienza, o economia, di questi motori li rende generalmente più costosi e di difficile manutenzione. Ai tempi di Diesel, la tecnologia per affrontare questi problemi semplicemente non era ancora disponibile.

Le proprietà uniche di un motore diesel fanno sì che sia in grado di utilizzare diversi tipi di olio, un carburante chiamato naturalmente gasolio. Questo carburante è costituito da petrolio greggio e produce da 11 a 12 galloni di gasolio per barile da 42 galloni di petrolio non trasformato. Viene utilizzato nella maggior parte dei camion merci, treni, autobus e barche, nonché veicoli agricoli e veicoli da costruzione e militari.

Nel 2006, l'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti (EPA) ha imposto che il contenuto di zolfo del diesel ridurre notevolmente i combustibili, una misura che si è rivelata estremamente efficace in quanto attuata nel corso del tempo. Entro il 2018, circa il 97 percento di tutto il diesel in uso sulle strade americane e altrove era costituito da una miscela nota come diesel a bassissimo tenore di zolfo (ULSD).

• Nel 2018, il carburante diesel ha rappresentato circa il 20% del consumo totale di petrolio negli Stati Uniti, o circa il 7% del consumo totale di carburante americano.