Il rame (una storia quasi personale)

Di Luca Pardi

Oggi volevo parlare del rame, un po' perché è un metallo che mi piace molto, poi perché il suo uso è alla base dello sviluppo delle prime tecnologie agli albori delle civiltà (lo usavano 10.000 anni fa) poi perché presenta, in modo esemplificativo e visibile a tutti, i vari passaggi che rendono critico l'uso dei metalli: dall'estrazione, al riciclo incompleto, agli usi dispersivi. Infine perché l'ho incrociato molte volte nella mia vita professionale e non.

Questo è un campione di calcopirite da me raccolto nelle Colline Metallifere in provincia di Grosseto quando ero un ragazzetto.

La calcopirite è un solfuro misto di Ferro e Rame (FeCuS2 per chi conosce un po' di chimica) ed uno dei principali minerali da cui viene estratto il rame. Circa un terzo del peso del campione di calcopirite è rame, quindi da questo campione si possono estrarre circa 150 grammi di rame metallico.

Naturalmente nelle miniere il minerale non è presente in filoni puri (o almeno non più) ma mescolato alle rocce che contengono il minerale in forma più o meno dispersa. Fino all'inizio del secolo scorso si estraeva il rame da miniere in cui l'elemento era presente in percentuali di circa di 2% in media. Le miniere erano per lo più quelle tradizionali, come quelle dei nani di Tolkien, fatte di pozzi e gallerie scavate nelle viscere della terra, dalla cui immagine ha poi tratto la sua iconografia Walt Disney.

Miniera di Gavorrano nelle Colline Metallifere in provincia di Grosseto (la foto è tratta dal sito della proloco gavorranese)

A quel tempo, per estrarre il rame si faceva un primo "arrostimento" in loco del materiale estratto, questa dava luogo ad un materiale di rifiuto che si accumulava nei pressi delle miniere e che nell'area mineraria toscana prendeva il nome di Roste. Quelle raffigurate qui sotto sono le Roste che si possono vedere lungo il fiume Merse, sulla strada provinciale Massetana, nel comune di Montieri. Quando frequentavo il Liceo Scientifico negli anni 70', di ritorno da una gita scolastica nel centro della Toscana, proposi di fare una piccola deviazione per far vedere ai miei compagni questo posto, poi portai la comitiva sulla scarpata di una curva sulla quale i camion che trasportavano il minerale perdevano regolarmente qualche bel campione come quello fotografato sopra, e così mi guadagnai la stima imperitura della nostra professoressa di Scienze.

Altre bellissime foto delle Roste di Campiano si possono vedere su Google Earth alle coordinate: 43°06'29"N - 11°02'33"E.

Il materiale che veniva estratto dalla vicina miniera veniva arrostito all'aperto e lisciviato con acqua. La soluzione risultante conteneva i sali di ferro e rame. Il rame veniva poi isolato per via elettrochimica.

Le miniere di oggi sono qualcosa di molto diverso. La più grande miniera del mondo, con una produzione di 1483 milioni di tonnellate nel 2007, la Minera Escondida, in Cile nel deserto di Atacama, vista da circa 25 Km di quota appare così:

Immagine Google Earth della Minera Escondida in Cile vista da 25 Km di quota. Sulla sinistra si vede il bacino di raccolta delle acque di scolo della miniera la cui struttura è visibile sulla destra.

Da questa miniera i fanghi ricchi di minerale vengono convogliati in tubature che raggiungono il porto di Coloso sulla costa a 150 Km.

Un'altra famosa miniera di rame è quella nei pressi del lago Salato in Utah. Si dice che questo sia lo scavo più grande del mondo.

Miniera di rame di Kennecott Utah.

Si tratta di miniere a cielo aperto (open pit) nelle quali la copertura di roccia viene fatta saltare completamente e il materiale contenente i minerali di interesse (ore) viene estratto con grandi escavatori. Dalle miniere dei nani di Talkien alle miniere a cielo aperto siamo passati da giacimenti con un tenore in rame del 2% all'inizio del secolo, a giacimenti in cui il tenore è fino allo 0,6%. Con un parallelo aumento del costo energetico. Infatti se con una concentrazione del 2%, per ogni tonnellata di rame, si devono movimentare 50 tonnellate di materiali, quando la concentrazione del metallo è dello 0,6% le tonnellate di materiali per tonnellata di metallo sono 167.

Il rame è uno dei cosiddetti grandi metalli industriali la cui produzione è superiore al milione di tonnellate (Mt).
oltre al ferro la cui produzione ammonta a circa 1700 Mt per anno (dati USGS 2008), la produzione degli altri metalli è riportata nel grafico che segue:

Produzione di metalli nel 2008 (dati USGS, tratti dal libro Quel futur pour le metaux? Di Philippe Bihouix e Benoit de Guillebon)

La produzione di rame ammontava nel 2008 a 16 Mt/anno corrispondete ad una media globale di consumo di circa 2,7 Kg per persona (ovviamente in statistica trilussiana). Per un europeo medio il consumo è quasi tre volte tanto.

Il rame è un metallo che non presenta problemi di approvvigionamento a breve termine. Sappiamo che, come tutte le risorse non rinnovabili andrà incontro ad un picco di produzione nel giro di qualche decennio dipendentemente dalle condizioni economiche che si determineranno, dall'evoluzione della capacità di riciclo e dal rinvenimento di nuove risorse estraibili. Dunque possiamo parlarne con una certa calma, senza l'assillo dell'esaurimento e, dunque, senza allarmismo. Certo, come mostra la decrescita del tenore medio dei giacimenti sfruttati e il fatto che alcune miniere sono state sfruttate, esaurite ed abbandonate, il processo di esaurimento è chiaramente in atto. Le miniere che avevano catturato il mio interesse e fantasia durante infanzia e adolescenza, quelle della Toscana centrale, attive fin dai tempi etruschi, sono state chiuse negli anni 80', lasciandosi dietro vari problemi di inquinamento delle acque (ma questa è un'altra storia).

Le riserve conosciute, quelle che oltre ad essere state localizzate e stimate sono estraibili economicamente nelle condizioni tecnologiche attuali, ammontano per il rame a 550 milioni di tonnellate mentre l'insieme delle risorse, includendo quelle sub-economiche e quelle inferite sulla base dei modelli geologici, ammontano a 1 miliardo di tonnellate (queste vengono anche definite riserve base).

Quando ci si riferisce alla nomenclatura delle riserve/risorse dei materiali minerari e dei combustibili fossili c'è un certo grado di confusione. Può essere utile in questo contesto riferirsi ad una versione semplificata del diagramma che si trova sul sito della USGS.

Le risorse includono le riserve.

Ma di rame ce n'è ancora di più, la crosta terrestre ne contiene, disperso a bassa concentrazione, una quantità stimabile in 10.000 miliardi di tonnellate. Una quantità virtualmente infinita anche rispetto a dei consumi moltiplicati diverse volte rispetto ad oggi. Si tratterebbe però di estrarre risorse a bassa concentrazione presenti nella crosta terrestre, concentrazioni dell'ordine dello 0,002-0,005 % (20-50 parti per milione o ppm). Quindi si tratterebbe di processare da 20.000 a 50.000 tonnellate di roccia per ottenere una tonnellata di rame. La migliore stima dell'energia necessaria per estrarre rame da una roccia ad un tenore nel metallo pari a 0,005% ammonta a 400 miliardi di Joule (GJ) per ogni chilogrammo di rame estratto. Ricordiamo che 1 barile di petrolio corrisponde a circa 6,12 GJ (o se preferite le unità elettriche 1 KWh fa 3,6 milioni di Joule). Per sostenere la produzione attuale di 16 milioni di tonnellate di rame sfruttando tali risorse, sarebbe necessaria una quantità di energia pari a 20 volte la produzione di energia globale attuale. E questo solo per il rame.

Evidentemente la rarefazione fa lievitare il consumo energetico per l'estrazione dei metalli in generale e quindi rende indisponibili le grandi quantità esistenti. Anche questa è una conseguenza del secondo principio della termodinamica, ma parlarne ci porterebbe troppo lontano. La cornucopia è effettivamente lì, ma quanti conigli deve trarre dal cappello l'ingegno umano per metterci le mani dentro?

Quello che segue è "la torta" che riassume gli usi del rame nella società contemporanea.

Usi del rame.

 All'Università frequentai le lezioni del prof. Lombardi che insegnava Scienza dei Metalli ed era uno scienziato dell'Europa Metalli, oggi KME azienda leader nella produzione di rame e leghe di rame, della famiglia Orlando dal 1903. La visita dello stabilimento di Fornaci di Barga in Garfagnana, nel cui centro ricerche lavorai a periodi negli anni immediatamente successivi alla laurea, fu una delle esperienze formative della mia vita non solo dal punto di vista professionale, la bellezza di una colata di metallo fuso vista dal vivo è infatti unica, e notevoli dal punto di vista tecnologico sono anche tutte le fasi della lavorazione del metallo.

Il rame e le sue leghe sono usate anche per fare i bossoli dei proiettili: da quelli più piccoli a quelli dei proiettili dei cannoni. Quello sotto è un bossolo in ottone di cannone o di contraerea (lega Rame- Zinco) che mio nonno raccolse a Pisa da un mucchio di bossoli simili, immediatamente dopo il passaggio del fronte nel 1944.

Il rame è un metallo che viene riciclato attivamente (e altrettanto attivamente rubato) e con relativa facilità ed efficienza perché si ossida difficilmente. Si stima che l'80% del rame estratto ed usato dall'antichità ad oggi sia ancora in circolazione. Tuttavia, anche nel caso del rame il riciclo non è nè può essere totale, qualcosa va sempre perso. Si valuta che il riciclo possa raggiungere percentuali del 75- 80% e che il 35- 40%  del rame utilizzato nei paesi OCSE provenga dal riciclo, la media mondiale è del 15% circa.


La scorsa estate nella pineta del tombolo della Feniglia nel comune di Orbetello, con un cercametalli trovai questi bossoli insieme a delle monetine da 5 centesimi del periodo fascista (e un proiettile inesploso), nel luogo dove, durante la seconda guerra mondiale, c'erano delle postazioni di artiglieria a difesa della costa da eventuali sbarchi alleati.

Chissà quanti bossoli come questi sono interrati sui campi di battaglia europei. Ma, in teoria, e come si vede anche in pratica, questi ed altri manufatti sono ancora recuperabili. Quello che determina una perdita praticamente irreversibile sono gli usi dispersivi, quelli cioè che determinano una diluizione del metallo nel suolo e successivamente nei corsi d'acqua e infine nei mari. Per il rame uno degli esempi è l'uso come fungicida che si fa dei suoi composti in agricoltura. La poltiglia bordolese è costituita da solfato di rame pentaidrato [CuSO4 5H2O] e idrossido di calcio. Anche il solfato di rame, con i suoi cristalli azzurro brillante, mi affascinò negli anni dell'infanzia quando vedevo mio nonno preparare la poltiglia bordolese da dare alla vigna.

Cristalli di solfato di rame.

E' abbastanza ovvio che il rame che finisce nel suolo in questo modo non è praticamente più recuperabile. Anche molti utilizzi nei quali entrano piccole quantità o il rame è in lega o comunque mescolato ad altri elementi rendono problematico il riciclo e sono, a tutti gli effetti, usi dispersivi.