I termini “auto-accensione” o “combustione spontanea” spesso generano molti dubbi, in alcuni casi anche il timore che magicamente si possa innescare un incendio inspiegabile nella nostra azienda. Se ne parla spesso in modo vago, portando l’immaginazione verso il paranormale o, nel migliore dei casi, verso eventi che sembrano sfuggire a ogni controllo ingegneristico.

Ogni professionista antincendio sa bene che il suo lavoro si basa anche sulla fisica, sulla chimica e sulla termodinamica. E fortunatamente, anche l’innesco che si guadagna il titolo di “autocombustione” ha sempre un motivo fondato: fisico, chimico e/o termodinamico, appunto. Tuttavia, la difficoltà sta nell’individuare quel motivo, soprattutto quando una reazione esotermica molto lenta viene innescata e accelerata da agenti catalizzatori non previsti, come ad esempio dei microrganismi che molti di noi si scorderebbero di valutare nelle proprie analisi di rischio. L’autocombustione è una delle categorie di pericolo che il professionista antincendio deve sistematicamente ricercare all’interno di qualsiasi attività.

Comprendere l’auto-accensione è un requisito fondamentale per la valutazione del rischio e la progettazione antincendio in ambienti complessi. In generale, possiamo sicuramente dire che:

La combustione spontanea è l’innesco di una reazione esotermica auto-sostenuta in un combustibile riscaldato e/o isolato termicamente, senza l’uso di una scintilla o fiamma esterna.

Si dice esotermica una reazione chimica in cui, durante il suo sviluppo, si trasferisce energia tra la miscela di reazione e l’ambiente esterno. La combustione è l’emblema di tale fenomeno.

Un catalizzatore invece è una qualsiasi sostanza che ha il potere di modificare il meccanismo di una reazione chimica, velocizzandola.

Con la combustione spontanea può verificarsi che una reazione esotermica molto lenta diventi più veloce mediante agenti catalizzatori non previsti.

A differenza dell’auto-accensione che riguarda l’innesco rapido di una miscela gassosa/vapore a una temperatura critica elevata, la combustione spontanea (o auto-combustione) descrive l’innesco lento e insidioso di solidi in massa dovuto all’accumulo di calore generato internamente (auto-riscaldamento).

Partendo da questi concetti, andiamo ad approfondire meglio i fenomeni in gioco e migliorare la nostra consapevolezza.

Auto-accensione e instabilità termica

La combustione spontanea rientra quindi nel concetto più ampio di auto-accensione. Essa si verifica quando un combustibile solido (non in condizioni di polveri ATEX, perché li è un’altra storia) si infiamma spontaneamente una volta raggiunta una temperatura di soglia, senza la necessità di una fonte di ignizione esterna. Ciò accade perché c’è una condizione di instabilità termica.

L’auto-accensione è, per sua natura, proprio un fenomeno derivato da un’instabilità termica. L’ossidazione avviene anche a temperatura ambiente, ma ad una velocità trascurabile. Affinché si verifichi l’accensione spontanea, deve essere soddisfatta una condizione critica: il tasso di rilascio di calore dovuto alla reazione esotermica deve superare il tasso di perdita di calore verso l’ambiente circostante.

Il dott. Semenov, uno scienziato di inizio ‘900, sviluppo alcune teorie su quella che chiamava “esplosione spontanea“[1]. Arrivò a formulare la teoria che si verificasse una condizione critica quando la velocità di rilascio del calore chimico è tangente alla linea della velocità di perdita di calore. Superato questo punto di instabilità, si innesca un “thermal runaway” (termine usato anche per le batterie al litio), portando a un rapido e auto-accelerato aumento della temperatura fino al punto di combustione.

In riferimento alla figura 1, provo a semplificarti la spiegazione:

• La curva rossa è la velocità di rilascio di calore dovuto a reazioni chimiche esotermiche (non necessariamente di combustione)
• Le rette grigie sono tre casi di velocità di perdita di calore.

1	Nel punto 1, il calore perso dal combustibile della retta partente da T0 è superiore al calore prodotto dalle reazioni chimiche.
2	Nel punto 2, il calore perso dal combustibile della retta partente da T1 è pari al calore prodotto dalle reazioni chimiche. Abbiamo una condizione di instabilità e, se la temperatura aumenta, si avrà l’auto-accensione.
3	Nel punto 3, inizia l’auto accensione anche per il materiale nella condizione della retta partente da T0 , poiché il calore generato è maggiore di quello dissipato.
NB	Per la retta partente T2 , il calore generato è sempre maggiore di quello dissipato e si potrà sempre innescare il materiale.

Tale teoria, anche se non descrivesse fedelmente la realtà, sicuramente conferma che, affinché possa esistere l’autocombustione, è necessario che il calore generato da una reazione chimica sia necessariamente superiore a quello che può essere smaltito.

Quindi, ad esempio, un panno umido non si accenderà da solo. Ma in un cumulo di 1000 kg di panni umidi, all’interno e dove non c’è facilità di smaltire il calore, magari potrebbero esserci reazioni chimiche esotermiche che potrebbero accelerare e innescare una combustione.

L’innesco chimico spontaneo: le reazioni che non necessitano di energia di attivazione

Esistono reazioni chimiche intrinseche che portano all’accensione spontanea senza l’apporto di energia termica, meccanica o elettromagnetica. L’energia di attivazione per queste reazioni è considerata prossima o uguale a zero, per cui è molto facile che si inneschino. Generalmente sono di due tipi:

Reazioni piroforiche

Una sostanza è piroforica se reagisce chimicamente spontaneamente con l’aria ambiente L’energia di attivazione per la reazione è zero, non ha nemmeno bisogno dell’innesco. Esempi: Il fosforo bianco (P4) reagisce spontaneamente con l’ossigeno nell’aria. L’acciaio solforato (solfuro di ferro) è un altro esempio noto di sostanza piroforica.

Reazioni ipergoliche

Una reazione è ipergolica quando il semplice contatto tra un combustibile liquido e un ossidante liquido a temperatura e pressione ambiente genera reazioni chimiche esotermiche, che sfociano in incendi o esplosioni. Anche in questo caso l’energia si attivazione si può considerare pari a zero. Esempi: Combustibili contenenti il radicale amminico (NH2), come l’idrazina (N2H4) e i suoi derivati, sono ipergolici con ossidanti potenti come il tetrossido di diazoto (N2O4) o l’acido nitrico concentrato (HNO3). Anche il fluoro liquido (F2) e l’idrogeno liquido (LH2) sono ipergolici al contatto.

Tali reazioni, degne di essere menzionate, non sono però quelle tipicamente interessate alla combustione spontanea dei solidi.

Combustione spontanea dei solidi in massa: l’ignizione latente

Per “combustibili solidi in massa” si intendono i combustibili che non sono polverizzati e non formano alcuna atmosfera esplosiva. Questa è la forma di auto-combustione che si verifica nelle grandi masse di materiali porosi e si manifesta inizialmente come combustione latente (detta anche smoldering).

Il meccanismo di auto-riscaldamento

L’innesco deriva dal riscaldamento interno (self-heating). Il processo esotermico dominante è l’ossidazione eterogenea superficiale che avviene all’interno degli interstizi del materiale. Il calore viene liberato più velocemente di quanto possa essere disperso nell’ambiente, portando all’accumulo termico. Il processo è tipicamente lento; i periodi di induzione possono durare ore, giorni o persino settimane.

Affinché l’auto-riscaldamento porti all’ignizione, il materiale deve soddisfare due condizioni fondamentali [2]:

1. Essere sufficientemente poroso per consentire la permeazione e la diffusione dell’aria (ossigeno).
2. Formare un residuo carbonioso rigido (char) durante la decomposizione termica.

Capirai da solo, quindi, il perché il materiale all’interno volumi confinati come contenitori appositamente progettati possono limitare moltissimo l’innesco rispetto al materiale sciolto a contatto con l’aria.

Il concetto di massa critica

Il fenomeno dell’auto-riscaldamento è significativo solo se la massa ha un basso rapporto S/V, dove S è la superficie esposta alla dissipazione del calore e all’aria e V è il volume del combustibile. Ciò è un’ulteriore conferma che c’è uno stretto legame tra la geometria del materiale e la sua capacità di trattenere il calore generato internamente.

Un basso S/V implica un grande volume e/o una minima superficie esposta (come potrebbe essere un’enorme cumulo di rifiuti tessili sciolti), offre le condizioni migliori per trattenere il calore generato delle reazioni chimiche esotermiche. La combustione spontanea dovrà però avvenire a una “profondità critica” [4] all’interno del materiale, dove l’accesso all’aria e l’isolamento termico sono bilanciati.

Casistica e implicazioni per la progettazione antincendio

Sono anni che studio la combustione spontanea eppure continuo a trovare nuove casistiche che mi ricordano di non sottovalutare mai il fuoco. Di seguito gli esempi più classici:

Oli reattivi assorbiti (stracci unti)	Oli insaturi (come l’olio di lino o di tung, con alto “numero di iodio”) dispersi su substrati porosi (come stracci di cotone o lana) si ossidano lentamente. L’olio lascia un residuo carbonioso sulle fibre, che a sua volta ossida vigorosamente, avviando lo smoldering. La porosità degli stracci e la scarsa conduttività termica forniscono l’isolamento necessario per il thermal runaway.
Cumuli di carbone e materiali organici (molecole di C, H e O)	Carbone: cumuli di carbone, specialmente se appena estratti e con alto contenuto di umidità, zolfo e ossigeno, sono vulnerabili all’ossidazione. La compattazione del cumulo è una tecnica efficace per ritardare la combustione, limitando il flusso d’aria necessario. Fieno e Silos (Biotermogenesi): una fonte comune di calore iniziale è l’azione batterica (biotermogenesi). Questa fermentazione è promossa dall’umidità e accelera il tasso ossidativo. L’azione batterica cessa quando le temperature raggiungono i 74−77°C. Balle di Cotone: La suscettibilità all’ossidazione degli oli e grassi vegetali insaturi nelle fibre grezze, accelerata dall’umidità, è la causa principale. La profondità critica è stata riscontrata essere di circa 15 cm [4]
Auto-ignizione superficiale (solidi sotto irradiazione)	L’ignizione spontanea superficiale di un solido combustibile (come il legno) può avvenire se esposto a un flusso di calore radiante sufficientemente elevato. Questo porta la superficie a temperature che causano pirolisi e la produzione di vapori combustibili molto caldi, che si accendono spontaneamente. L’innesco spontaneo richiede una temperatura superficiale significativamente più alta rispetto all’accensione pilotata. Per il legno, l’accensione pilotata è di circa 300 − 410°C, mentre l’ignizione spontanea può richiedere circa 600°C. Alcune fonti [4] indicano la limitazione all’esposizione a fonti di calore (come tubi caldi) a temperature non superiori a 65°C per mitigare il rischio di ignizione spontanea in materiali edili come il legno.
Casistiche estreme e particolari	Pneumatici di automobili: l’auto-accensione nei pneumatici in rotazione è dovuta all’isteresi elastica della gomma vulcanizzata, che genera calore se sottoposta a flessione rapida (soprattutto se sgonfia). Poiché la gomma è un cattivo conduttore di calore, la temperatura può aumentare fino a circa 215°C portando all’inizio spontaneo della combustione interna. Atmosfere iperossiche: Se la percentuale di ossigeno supera il 21%, si possono osservare fenomeni di autoaccensione di materiali che non brucerebbero in condizioni normali. Correnti Parassite: In presenza di correnti elettriche elevate e una posa in opera difforme (spire), l’induzione magnetica può generare correnti parassite capaci di innescare materiali combustibili adiacenti. Questi fenomeni sono estremamente rari.

Oltre il mistero: la combustione umana spontanea

Anche se non necessario per la trattazione, può essere piacevole affrontare i fenomeni che vengono confusi con l’autocombustione. La combustione umana spontanea (Spontaneous Human Combustion o SHC) è spesso definita come un fenomeno misterioso.

Le informazioni del fenomeno della SHC vengono riportate fin dal XVII secolo.

Nonostante il nome, la SHC non è spontanea, ma richiede una fonte di calore vicino al corpo. Per evitare ambiguità, nelle pubblicazioni scientifiche è stato suggerito di adottare un nome alternativo, come “combustione isolata del corpo” o “combustione isolata della parte centrale del corpo”.

La sua autenticità è stata a lungo contestata da patologi e scienziati forensi; ad esempio, Casper nel 1861 la definiva una “favola”. Tuttavia, i casi ben documentati rendono difficile contestare la realtà del manifestarsi di questo fenomeno. Ci sono stati casi reali di persone che sono bruciate da sole, ma spesso le apparenze ingannano.

Il corpo umano, sebbene sia composto per circa il 70-75% di acqua (il che renderebbe la combustione difficile secondo la vecchia medicina forense), è sorprendentemente combustibile. Contiene tre componenti principali combustibili: tessuti molli (pelle e visceri), ossa (midollo e grasso) e, soprattutto, grasso.

La spiegazione più razionale è la teoria dell’effetto stoppino (wick effect), concepita da Gee:

1. Una fonte di calore esterna (ad esempio, una sigaretta accesa) accende gli indumenti del soggetto.
2. La pelle si carbonizza e si spacca, rilasciando il grasso corporeo sottocutaneo fuso.
3. Gli indumenti agiscono come uno stoppino (come in una candela), imbevuti del grasso umano fuso.
4. Il grasso corporeo funge da carburante. Questo processo permette una combustione molto lenta del grasso corporeo per un lungo periodo, con poco danno circostante, ma con un grande rilascio di fumo e fuliggine

Nella pratica, in passato ci sono stati questi elementi:

Combustione post mortem	La combustione del corpo è avvenuta nel periodo post mortem. Ciò è supportato dalla consueta assenza di fuliggine nella trachea e nei polmoni, e dall’assenza di monossido di carbonio o cianuro nel sangue.
Causa di morte precedente alla combustione	La carbonizzazione non è la causa della morte. La morte è generalmente di causa naturale (ad esempio, arresto cardiaco, ictus, coma etilico), o una condizione che ha causato la perdita di coscienza e impedito alla vittima di spegnere il fuoco.
Esclusione di criminalità	L’assenza di segni di aggressione, la porta chiusa dall’interno) e i risultati tossicologici (assenza o livelli molto bassi di acceleranti) hanno escluso l’omicidio o auto-immolazione.

Ciò conferma (se mai ci fosse stato qualche dubbio) che la combustione spontanea umana sia una stupidaggine ma che, scientificamente, sia possibile come per un qualsiasi pezzo di carne in determinate condizioni.

Sul fenomeno della pirocinesi, ossia la capacità di controllare il fuoco e/o incendiare un oggetto con la forza del pensiero, siamo fuori dal dominio dell’ingegneria antincendio. Se però vi fa piacere, potremo fare come nel medioevo e dare la colpa a Dio o al diavolo 👿.

Conclusione

Sebbene l’autocombustione possa sembrare un rischio “nascosto” o un potenziale “paranormale”, essa è sempre riconducibile a chiare motivazioni fisiche, chimiche e/o termodinamiche. La comprensione di questi meccanismi e delle condizioni critiche (isolamento termico, porosità, accesso all’ossigeno, reattività chimica, rapporto S/V della massa di combustibile, ecc.) è però importantissima per la valutazione del rischio e la progettazione antincendio.

Come deve comportarsi il progettista antincendio con tutti questi pericoli nascosti? Purtroppo non possiamo essere tuttologi ma, nonostante tutto, la mia raccomandazione è quella di un sistematico studio ed indagine ad ogni nuova realtà che si presta ad essere progettata.

Se sei il titolare dell’attività a rischio incendio, solo te che conosci bene il tuo lavoro puoi aiutare moltissimo il progettista con la tua esperienza: se creerete un adeguato contesto collaborativo, riuscirete a creare le migliori basi per la gestione della tua sicurezza antincendio.

Citazioni e link di approfondimento

	RIFERIMENTO	AUTORE
[1]	Theories of combustion processes	Semenov, N.N. (1928)
[2]	An Introduction to Fire Dynamics	Dougal Drysdale
[3]	Ignition Sources Fire, Explosion and Detonation	K. Ramamurthi
[4]	Fire Foundamentals and Control	Walter M. Haessler
[5]	Ignition Handbook	Vytenis Babrauskas
[6]	So-called Spontaneous Human Combustion	Thierry W. Levi-Faict, Gérald Quatrehomme