Materiali compositi intelligenti immagazzinano l’energia e rendono gli aeromobili più efficienti dal punto di vista dei consumi
Immaginate un materiale a elevate prestazioni in grado non solo di sostenere il peso meccanico di un aeromobile, ma anche di immagazzinare l’energia necessaria per alimentare la cabina e i sistemi. Il risultato? Una nuova generazione di aeromobili che dipende meno dal combustibile, con il doppio del raggio di volo rispetto ai suoi predecessori. Sebbene questo obiettivo non sia ancora stato raggiunto, il progetto SORCERER (Structural pOweR CompositEs foR futurE civil aiRcraft), finanziato dall’UE, ha già sviluppato supercondensatori e batterie strutturali rivoluzionari che possono essere combinati per promuovere l’elettrificazione degli aeromobili di prossima generazione. Emile S. Greenhalgh, insignito del premio per le tecnologie emergenti della Regia accademia inglese dell’ingegneria, parla della nuova tecnologia, del suo potenziale e del suo percorso verso la commercializzazione.
Oltre all’utilizzo dei primi prototipi, nonché alla ricerca e allo sviluppo da parte dei produttori, gli aeromobili elettrici sembrano ancora un sogno distante. Direbbe altrimenti? Quali sono i principali ostacoli che si oppongono ancora a questo obiettivo?
Emile Greenhalgh: Ritengo che i grandi aeromobili passeggeri completamente elettrici siano molto distanti: il principale ostacolo è infatti rappresentato dalle densità energetiche molto elevate necessarie. Anche se si dovesse risolvere questa questione, rimarrebbero le problematiche sulla sicurezza associate alle enormi quantità di energia contenute all’interno di un volume piccolo. Credo sia questo il motivo che spinge ora le aziende a passare all’H2 nel percorso verso un’energia pulita. Tuttavia, ciò non significa che una maggiore elettrificazione non sia possibile. La cabina e i sistemi del velivolo, che convenzionalmente attingono energia dai motori, potrebbero senz’altro beneficiare delle nuove tecnologie di produzione energetica basate sull’elettricità: è qui che interveniamo sulla potenza strutturale. Inoltre, gli aeromobili più piccoli e i droni rappresentano un’opzione più realistica per l’elettrificazione della propulsione. Mi aspetto infatti una crescita di mercato in questi settori.
Il suo progetto si concentra nello specifico sui materiali compositi che immagazzinano energia. Perché sono importanti e quali lacune tecnologiche intendeva colmare esattamente? Inoltre, cosa ha reso il suo consorzio particolarmente ben attrezzato per affrontare queste sfide?
La potenza strutturale rappresenta un modo molto elegante di affrontare la doppia sfida di ridurre il peso delle strutture aeree e fornire soluzioni di stoccaggio dell’energia. Sappiamo che l’elettrochimica tradizionale sta perseguendo densità energetiche sempre maggiori ma, come ho accennato in precedenza, rappresenteranno sfide enormi dal punto di vista della sicurezza. La potenza strutturale offre un’alternativa che affronta l’elettrificazione del velivolo, senza richiedere al contempo densità energetiche troppo elevate. Per farle un esempio, abbiamo dimostrato che in un aerotaxi quale il City Airbus, la sostituzione delle batterie e delle strutture convenzionali con i nostri materiali multifunzionali per una data densità energetica potrà più che raddoppiare il raggio del velivolo. Il nostro consorzio comprende gruppi leader a livello mondiale nello sviluppo di supercondensatori strutturali (Imperial e IMDEA Materials) e batterie strutturali (Chalmers e KTH), pertanto siamo nella posizione migliore per poter far progredire questa tecnologia. Imperial, Chalmers e KTH sono pionieri di questa tecnologia da oltre dieci anni.
Secondo lei, quali sono gli elementi che rendono il suo progetto particolarmente innovativo?
Il nostro è un approccio completamente nuovo all’utilizzo di materiali strutturali. Si tende a considerare che i materiali multifunzionali dispongano di molteplici funzioni fisiche (elettroniche e ottiche, ad esempio), ma raramente di funzioni aggiuntive che comprendano una funzione meccanica. Questo perché la combinazione della funzione meccanica a funzioni fisiche aggiuntive impone requisiti contrastanti al materiale. Ad esempio, per raggiungere una rigidità meccanica elevata è necessario avere costituenti rigidi, ma per consentire fenomeni di trasporto (quali il flusso ionico), devono essere morbidi. Il nostro approccio è stato quello di fornire mezzi per adattare la microstruttura del materiale con l’obiettivo controllare l’equilibrio tra le diverse funzioni.
Quali sono ad oggi i principali risultati e traguardi del progetto?
Inizialmente intendevamo soddisfare obiettivi relativi alle prestazioni per i supercondensatori e le batterie strutturali, nonché offrirne una dimostrazione all’interno di un componente finale. Dal punto di vista dei supercondensatori strutturali, abbiamo ottenuto 1,4 Wh/kg e 1,1 kW/kg rispettivamente per energia e densità di potenza. Stiamo inoltre costruendo un dimostratore di portello per aeromobile. IMDEA ha fornito una dimostrazione dei propri supercondensatori strutturali come parte del rivestimento di una scatola di sistemi. In merito alle batterie strutturali, stiamo producendo un laminato composito con celle multifunzionali. Il progetto termina a gennaio 2021 e ci aspettiamo di poter mostrare i dimostratori a tale data.
Al termine del progetto, quanto saremo vicini a un reale utilizzo negli aeromobili?
Abbastanza lontani, a dire il vero, perché si tratta di una tecnologia estremamente rivoluzionaria: sarà necessario molto sviluppo perché sia idonea al volo. Quello aerospaziale è per tradizione un settore molto conservativo, ma mi aspetto che la potenza strutturale possa essere adottata relativamente presto in applicazioni non critiche e forse su veicoli più piccoli (quali i droni) – magari entro cinque anni?
Quali sono i vostri piani successivi?
Da un punto di vista personale, sono appena stato insignito del premio per le tecnologie emergenti della Regia accademia inglese dell’ingegneria, il che significa che dispongo di finanziamenti per questo lavoro per i prossimi dieci anni. Per quanto riguarda il consorzio, stiamo ancora dialogando con Airbus per un progetto futuro in questo settore. Non abbiamo ricevuto fondi dall’UE per far progredire la potenza strutturale, ma speriamo di ottenere finanziamenti in futuro per questo settore.
Parole chiave
SORCERER, aeromobile, stoccaggio dell’energia, composito, dimostratore, supercondensatori, batterie, energia elettrica, efficiente dal punto di vista dei consumi