Se si portasse acqua liquida nello spazio, si congelerebbe o bollirebbe? Il vuoto dello spazio è terribilmente diverso da quello a cui siamo abituati qui sulla Terra. Dove ci troviamo ora, circondati dalla nostra atmosfera e relativamente vicini al Sole, le condizioni sono giuste perché l’acqua liquida esista stabilmente quasi ovunque sulla superficie del nostro pianeta, che sia giorno o notte.

Ma lo spazio è diverso in due modi estremamente importanti: è freddo (soprattutto se non sei alla luce diretta del sole, o più lontano dalla nostra stella), ed è il miglior vuoto senza pressione che conosciamo. Mentre la pressione atmosferica standard sulla Terra rappresenta circa 6 × 10^22 atomi di idrogeno che spingono verso il basso su ogni metro quadrato della superficie terrestre, e mentre le migliori camere a vuoto terrestri possono scendere a circa un trilionesimo di questo, lo spazio interstellare ha una pressione che è milioni o addirittura miliardi di volte inferiore a questo! Ancora più lontano, la pressione scende ancora di più. Image credit: NASA.

In altre parole, c’è un incredibile calo di temperatura e pressione nelle profondità dello spazio esterno rispetto a quello che abbiamo qui sulla Terra. Eppure, questo è ciò che rende la questione ancora più problematica. Vedete, se prendete dell’acqua liquida e la mettete in un ambiente in cui la temperatura si raffredda al di sotto del punto di congelamento, essa formerà cristalli di ghiaccio in tempi molto, molto brevi.

Bene, lo spazio è davvero, davvero freddo. Se parliamo di andare nello spazio interstellare, lontano (o in ombra) da qualsiasi stella, l’unica temperatura proviene dal bagliore residuo del Big Bang: il Cosmic Microwave Background. La temperatura di questo mare di radiazioni è di soli 2,7 Kelvin, che è abbastanza freddo da congelare l’idrogeno solido, molto meno l’acqua. Quindi, se porti l’acqua nello spazio, dovrebbe congelare, giusto?

Non così in fretta! Perché se prendete dell’acqua liquida e abbassate la pressione nell’ambiente che la circonda, essa bolle. Forse conosci il fatto che l’acqua bolle ad una temperatura più bassa ad alta quota; questo perché c’è meno atmosfera sopra di te, e quindi la pressione è più bassa. Possiamo trovare un esempio ancora più grave di questo effetto, però, se mettiamo l’acqua liquida in una camera a vuoto, e poi evacuiamo rapidamente l’aria. Cosa succede all’acqua?

Bollisce, e piuttosto violentemente! La ragione è che l’acqua, nella sua fase liquida, richiede sia una certa gamma di pressione che una certa gamma di temperature. Se si inizia con acqua liquida ad una data temperatura fissa, una pressione abbastanza bassa farà bollire immediatamente l’acqua.

Ma su questo prima mano, di nuovo, se si inizia con acqua liquida ad una data pressione fissa, e si abbassa la temperatura, questo causerà l’acqua a congelare immediatamente! Quando parliamo di mettere l’acqua liquida nel vuoto dello spazio, stiamo parlando di fare entrambe le cose contemporaneamente: prendere l’acqua da una combinazione di temperatura/pressione in cui è stabilmente un liquido e spostarla ad una pressione più bassa, qualcosa che la fa bollire, e spostarla ad una temperatura più bassa, qualcosa che la fa congelare.

Si può portare l’acqua liquida nello spazio (a bordo, diciamo, della stazione spaziale internazionale) dove può essere mantenuta in condizioni simili a quelle terrestri: ad una temperatura e pressione stabili.

Ma quando si mette l’acqua liquida nello spazio – dove non può più rimanere come liquido – quale di queste due cose succede? Si congela o bolle? La risposta sorprendente è che fa entrambe le cose: prima bolle e poi si congela! Lo sappiamo perché è quello che succedeva quando gli astronauti sentivano il richiamo della natura nello spazio. Secondo gli astronauti che l’hanno visto con i loro occhi:

Quando gli astronauti fanno una perdita durante una missione ed espellono il risultato nello spazio, questo bolle violentemente. Il vapore poi passa immediatamente allo stato solido (un processo noto come desublimazione), e ci si ritrova con una nuvola di cristalli finissimi di urina congelata.

C’è una ragione fisica convincente per questo: l’alto calore specifico dell’acqua.

È incredibilmente difficile cambiare rapidamente la temperatura dell’acqua, perché anche se il gradiente di temperatura è enorme tra l’acqua e lo spazio interstellare, l’acqua trattiene il calore incredibilmente bene. Inoltre, a causa della tensione superficiale, l’acqua tende a rimanere in forme sferiche nello spazio (come hai visto sopra), che effettivamente minimizzano la quantità di superficie che ha per scambiare calore con il suo ambiente sottozero. Quindi il processo di congelamento sarebbe incredibilmente lento, a meno che non ci fosse un modo per esporre ogni molecola d’acqua individualmente al vuoto dello spazio stesso. Ma non c’è un tale vincolo sulla pressione; è effettivamente zero al di fuori dell’acqua, e quindi l’ebollizione può avvenire immediatamente, immergendo l’acqua nella sua fase gassosa (vapore acqueo)!

Ma quando l’acqua bolle, ricordate quanto più volume occupa il gas rispetto al liquido, e quanto più distanti diventano le molecole. Questo significa che subito dopo l’ebollizione dell’acqua, questo vapore acqueo – ora a pressione effettivamente zero – può raffreddarsi molto rapidamente! Possiamo vedere questo sul diagramma di fase dell’acqua.

Una volta che si scende sotto i 210 K circa, si entra nella fase solida dell’acqua – il ghiaccio – indipendentemente dalla pressione. Ecco cosa succede: prima l’acqua bolle, e poi la finissima nebbia in cui bolle si congela, dando origine a una tenue e sottile rete di cristalli di ghiaccio. Che ci crediate o no, abbiamo un’analogia per questo qui sulla Terra! In una giornata molto, molto fredda (deve essere di circa -30° o inferiore perché questo funzioni), prendete una pentola con dell’acqua appena bollente e lanciatela in alto (lontano dalla vostra faccia) nell’aria.

La rapida riduzione di pressione (passando dall’avere acqua sopra di essa alla sola aria) causerà una rapida ebollizione, e poi la rapida azione dell’aria estremamente fredda sul vapore acqueo causerà la formazione di cristalli congelati: neve!

Quindi l’acqua bolle o si congela quando la si porta nello spazio? Sì. Sì, lo fa.