Elettrificazione dell'aerospazio

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  Redazione
  15 marzo 2021
  5 minuti, 21 secondi

Volare è sempre stata un’aspirazione dell’uomo ed esprime il suo desiderio di elevazione e di libertà. Con la Rivoluzione Industriale, il progresso tecnologico ha consentito di trasformare quel sogno in realtà: hanno fatto la loro comparsa la mongolfiera, il dirigibile e poi finalmente gli aerei e i veicoli spaziali. Dopo le due Guerre Mondiali, la ricerca in questo ambito non ha mai conosciuto battute d’arresto, e ancora oggi continua a proporre nuove sfide, seguendo le esigenze della società.

Da qualche anno ha fatto la sua comparsa tra queste il tema della propulsione elettrica in ambito aerospaziale, tanto che l’obiettivo dell’aumento dell’efficienza energetica dei veicoli aerei è comparso anche nel programma quadro dell’Unione Europea per la ricerca e l’innovazione Horizon 2020, con un riferimento esplicito all’uso di fonti energetiche alternative [1].

Ma da cosa nasce questo interesse crescente per i sistemi elettrici? Le esigenze sono diverse. In primo luogo, ridurre le emissioni e l’inquinamento acustico. Questo, però, è vero per gli aerei, che viaggiano all’interno dell’atmosfera. Per i veicoli spaziali, invece, l’inquinamento non rappresenta un problema; in questo caso l’interesse nell’elettrificazione è legato al fatto che quella elettrica è l’unico tipo di energia che può essere prodotta nello spazio e migliorare le tecnologie che consentono di produrla e utilizzarla a bordo rappresenta un grande vantaggio in termini di durata delle missioni. Infine, per entrambe le applicazioni, l’elettrificazione dovrebbe contribuire a migliorare l’efficienza energetica e l’affidabilità dei veicoli.

È possibile volare servendosi solo di energia elettrica? In realtà essa è già ampiamente utilizzata per l’alimentazione di droni; la difficoltà attuale sta nel trasferire questa tecnologia su veicoli di più grandi dimensioni, con bisogni di energia maggiori (si pensi all’illuminazione delle cabine) e con standard di sicurezza più elevati, dovuti alla presenza dei passeggeri. Si mira quindi allo sviluppo di tecnologie che permettano di superare i limiti di applicazione delle macchine elettriche tradizionali in campo aeronautico.

Le difficoltà sono ancora molte. La propulsione elettrica consente di viaggiare a velocità più basse rispetto a quella termica, il che significa tempi di percorrenza più lunghi. La densità energetica e la densità di potenza delle batterie sono ancora limitate per le missioni di lungo raggio. Le celle a combustibile, dispositivi elettrochimici che sfruttano l’idrogeno e l’ossigeno per produrre energia senza processi termici, sono delle soluzioni promettenti, ma ancora lontane dall’impiego sul campo, a causa delle pressioni elevate con riferimento allo stoccaggio dell’idrogeno e della loro pericolosità in caso di incidente. Un altro inconveniente delle batterie è l’impossibilità di controllare con esattezza il livello della carica e di misurare come il tempo di autonomia cambi con l’invecchiamento.

Qualcuno si interroga sulla validità della soluzione dei veicoli ibridi anche in ambito aeronautico. L’ostacolo maggiore in questo caso (ostacolo che non si presenta quando si parla di veicoli su strada) è rappresentato dal notevole peso dei due sistemi di alimentazione combinati. Inoltre, uno dei vantaggi dei veicoli ibridi, risiede nella possibilità di ricaricare le batterie durante le fasi di decelerazione e frenata. I viaggi aerei, invece, avvengono per lo più a velocità costante, fatta eccezione per il decollo e l’atterraggio. Il risparmio di carburante è dunque minore. Il vantaggio di un sistema di propulsione di questo tipo si potrebbe apprezzare in caso di guasto al motore: in questa circostanza sarebbe possibile sfruttare l’alimentazione elettrica per portare in salvo i passeggeri, piuttosto che tentare le manovre di sicurezza attualmente previste, che risultano complesse e con alte probabilità di insuccesso.

Il passaggio ad una nuova fonte di energia di alimentazione renderà necessario ripensare tutta la scienza dell’aeronautica costruita finora. Le equazioni che governano i fenomeni cambieranno. Al momento, l’equazione di Breguet, che riesce a misurare la quantità di carburante necessario in funzione della distanza da percorrere, è stata la base di tutti i progetti di dimensionamento dei velivoli. La formula descrive l’alleggerimento progressivo del veicolo dovuto al consumo di carburante man mano che si avanza. Con il progredire delle tecnologie, di tanto in tanto, essa è stata leggermente modificata, ma non è mai stata abbandonata. Nei nuovi veicoli elettrici, invece, l’autonomia del veicolo dovrà essere calcolata in altri modi: non ci sarà più una tanica di carburante, ma una batteria, il cui peso – anche piuttosto notevole – rimarrà invariato per tutto il viaggio. E questo è solo uno dei numerosi esempi che potrebbero essere riportati.

Si trasformeranno le dimensioni e le geometrie dei veicoli. Saranno impiegati nuovi materiali ultraleggeri per compensare il peso delle batterie. Potrebbero rendersi necessari nuovi strumenti di progettazione, disegno e misura; gli indicatori di performance verranno ridefiniti, così come le procedure di testing e di controllo.

Per quanto riguarda l’aerospazio, l’impiego dell’energia elettrica (in particolare quella solare) non è una novità: da anni viene sfruttata per alimentare la maggior parte dei sistemi on-board. Ma per le manovre in orbita continuano ad essere utilizzati propulsori chimici, che vincolano la durata delle missioni alla disponibilità di carburante. Anche in questo settore le sfide tecnologiche sono tante: i pannelli solari richiedono grandi superfici per esser installati; la loro efficienza diminuisce dell’1% all’anno, una quantità non trascurabile se si pensa alla durata delle missioni (in media 10 anni). Inoltre la radianza solare dipende dalla distanza dal sole e dunque la superficie necessaria per i pannelli cambia a seconda del punto in cui ci si trova, con i relativi problemi di dimensionamento.

L’approccio multidisciplinare è imprescindibile per superare sfide di tale entità: ingegneri, informatici, fisici, tecnologi, chimici e statistici dovranno lavorano fianco a fianco per trovare nuove soluzioni. In questo settore introdurre una nuova tecnologia richiede anni di lavoro, perché è necessario costruire un’esperienza attraverso migliaia di test ed esperimenti per rispettare gli elevatissimi standard di sicurezza. Ma il mondo industriale non si tira indietro: sia società come Rolls-Royce e Safran, tra le più grandi nel settore aerospaziale, che startup più piccole, lavorano già allo sviluppo dell'elettrico per i motori di propulsione [2].

Più o meno ogni due anni esce nelle sale qualche kolossal su viaggi ed esplorazioni spaziali, che mostrandoci scenari suggestivi, inseguimenti stellari e manovre complicatissime, modellano la nostra immaginazione. Chissà che nel prossimo film che guarderemo non potremo apprezzare qualche segno di questa rivoluzione elettrica in atto.

[1] Space, Horizon 2020, 25/03/2020, https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/h2020-section/space

[2] 2020 Global Aerospace and Defense industry outlook, Deloitte, https://www2.deloitte.com/it/it/pages/public-sector/articles/2020-global-aerospace-and-defense-industry-outlook---deloitte-it.html

https://unsplash.com/it/foto/O...

a cura di Chiara Natalicchio 

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