Tutti concordano sul fatto che i motori degli aeroplani debbano diventare più ecologici. Ma la risposta è da ricercare in sistemi di propulsione rivoluzionari, oppure in futuro viaggeremo ancora sugli aerei dotati dei vecchi motori a reazione alimentati da combustibili rinnovabili? Metalworking World dà uno sguardo ai velivoli del futuro.
Il motore a reazione è stato impiegato dall’industria aeronautica per oltre 50 anni, con relativamente poche modifiche al sistema di propulsione. Ma le leggi sempre più severe in materia di emissioni ed inquinamento acustico, che vincolano in modo significativo il settore, e i costi in continua ascesa del carburante, hanno spinto i ricercatori a velocizzare i tempi dello sviluppo tecnologico. Ma dove porterà questo sviluppo? Si proseguirà ad apportare migliorie alla turbina a gas o subentrerà una forma di propulsione radicalmente diversa, relegando il motore a reazione alla storia dell’aviazione?
L’attività aeronautica contribuisce a circa il 2% delle emissioni di CO2 derivanti dall’utilizzo del carburante fossile e, con la crescita della domanda relativa ai viaggi aerei, cresce anche l’inquinamento. Le emissioni di ossidi di azoto (NOx), prodotte dalla combustione del carburante degli aerei, che provocano piogge acide e smog e costano alla società miliardi di dollari ogni anno per coprire le spese dovute a malattia e morte, sono destinate a raddoppiare, secondo le stime, entro il 2020. Per contrastare questa situazione, nel 2001 l’industria aeronautica europea ha fissato come obiettivo di ridurre entro il 2020 il consumo di carburante del 50% per passeggero/km e le emissioni di NOx dei velivoli commerciali dell’80%.
Gli esperti concordano nell’affermare che, a breve termine, ci sarà un progresso nella produzione di motori più puliti ed efficienti grazie ad una serie di piccole evoluzioni, piuttosto che a una vera e propria rivoluzione. I progetti di sviluppo a cura di istituti universitari, enti di ricerca e produttori di motori portano costantemente alla messa a punto di piccole modifiche ai motori, per migliorarne l’efficienza energetica, come il progetto PANACEA, guidato dalla Rolls-Royce, nel quale Sandvik Coromant è stata partner chiave (vedere articolo dedicato). Con l’introduzione di nuovi materiali per i componenti del motore, il progetto ridurrà il consumo di carburante dello 0,3-0,5%, risparmiando 600 kg di CO2 ogni volta che un aereo attraverserà l’Atlantico.
Contemporaneamente, la concorrente GE Aviation ha recentemente annunciato il lancio di un nuovo sistema di propulsione per i jet commerciali, basato su una combinazione di tecnologie civili e militari. I suoi motori Passport, ancora in via di sviluppo ma programmati per il collaudo su scala reale nel 201, sono caratterizzati da un maggior rapporto di pressione e da un compressore realizzato con nuovi materiali avanzati, dei quali ancora non si conosce il nome. GE prevede che questi motori ridurranno il consumo di carburante dell’8%, con una riduzione significativa delle emissioni di NOx. “Passport è il primo sistema di propulsione integrato del mondo, progettato specificatamente per i jet di affari a cabina grande e a lunghissimo raggio, offrendo ai clienti un volo più silenzioso ed efficiente,” sottolinea Brad Mottier, vice presidente e general manager di GE Business & General Aviation.
Un altro progetto di sviluppo a marchio GE, questa volta relativo ai jet regionali, punta ad offrire un miglioramento del 15% dell’efficienza energetica rispetto ai motori attualmente in uso, grazie ancora a segretissimi materiali avanzati, nuove tecnologie di raffreddamento e ad un nuovo approccio ai combustori, la parte del motore dove l’aria viene miscelata con il carburante per poi innescare la combustione.
Piccoli passi di questo tipo rappresentano indubbiamente un gradito miglioramento dell’impatto ambientale degli aerei, ma non sarà facile compiere progressi più significativi. “Le sfide sono diverse,” dice Tomas Grönstedt, professore associato del dipartimento di meccanica applicata alla Chalmers University di Gothenburg, in Svezia. “E tra esse includiamo le crescenti difficoltà nel passare a motori con un rapporto di pressione più elevato, dovute a maggiori temperature dell’aria di raffreddamento, restrizioni imposte dallo sviluppo di nuove tecnologie dei materiali e dal dannoso impatto peso-resistenza aerodinamica sui motori ad alto rapporto di diluizione tra aria fredda ed aria calda. Dobbiamo continuamente trovare modi per sviluppare nuovi materiali, e non esiste alcuna garanzia che si riesca a farlo mantenendo l’attuale velocità di progresso.”
Le tecnologie attualmente in fase di sviluppo, considerate soluzioni plausibili nel medio termine, includono il motore ‘intercooled’, il motore ‘intercooled recuperated’ e il motore a rotore aperto. “Se realizzati, i motori intercooled e intercooled recuperated’ non entreranno comunque in funzione prima del 2020,” aggiunge Grönstedt. “Sposterei probabilmente anche la messa in servizio del motore a rotore aperto a poco dopo questa data.”
IL MOTORE AD ONDA DI DETONAZIONE (PDE, Pulse Detonation Engine), potenzialmente in grado di aumentare radicalmente l’efficienza termica, rappresenta una delle tecnologie propulsive più innovative non ancora sviluppate. Tuttavia, secondo Grönstedt, ci sono ancora diversi problemi da risolvere. “Bisogna, ad esempio, gestire il raffreddamento della turbina in un ambiente a combustione intermittente,” sottolinea. “E il rumore costituisce un’altra sfida da vincere.”
Se però si riuscisse a superare questi ostacoli, i benefici ambientali sarebbero enormi. “Combinando il PDE con le architetture del rotore aperto, entro il 2050 si potrebbero raggiungere sviluppi della struttura aerea quali le configurazioni ‘blended wing bodies”’ (ala volante), ridotte velocità di volo e una diminuzione del 75% del consumo di carburante per passeggero/km, rispetto all’anno base 2000”, afferma Grönstedt.
Tecnologie di questo tipo costituirebbero un grosso passo in avanti, ma si tratterebbe comunque di variazioni degli attuali motori a combustione interna. E allora, quando voleremo grazie a “fantascientifiche” soluzioni basate su sistemi di propulsione totalmente e radicalmente nuovi?
“Per il 2050 sono parecchie le idee per realizzare nuovi aeromobili, ma non vedo in prospettiva alcuna vera novità capace di cambiare le regole del gioco,” aggiunge Grönstedt, spiegando che il vantaggio della turbina a gas è tuttora la sua colossale densità di potenza. “Si può produrre una fantastica quantità di spinta ad un peso molto basso, ed è molto difficile competere con queste prestazioni. Nel 2020, probabilmente, si useranno ancora queste turbine, ma non investiremo ancora tanto nel loro sviluppo, perché siamo vicini ai loro limiti quanto ad efficienza termica e propulsiva.”
Ma forse non è necessario sostituire il motore a combustione interna. “Il modo in cui vedo un’aviazione più ecologica è attraverso miglioramenti radicali nell’efficienza energetica e nella piena implementazione dell’uso dei biocarburanti,” dice Grönstedt. “Le alghe potrebbero fornire una soluzione per la produzione della quantità necessaria di biocarburanti, senza ostacolare la produzione alimentare. Ma per fare ciò, occorre superare gli attuali ostacoli di natura tecnica.”
Nuovi motori, nuovi carburanti
Motori a rotore aperto:
noti anche come motori propfan ed a grande rapporto di diluizione (UHB, Ultra-High Bypass), offrono l’economicità dei consumi di un turboelica unita alla velocità ed alle prestazioni di un turboventola. Brevettati nel 1979, i motori a rotore aperto sono in grado, potenzialmente, di garantire un risparmio di carburante pari al 30% circa, ma sono più rumorosi rispetto agli altri tipi di motore.
Motori ad onda di detonazione
(PDE, Pulse Detonation Engine): preso per la prima volta in considerazione oltre 70 anni fa, il concetto del motore ad onda di detonazione utilizza le onde di detonazione per portare a combustione la miscela di carburante e ossidante. Invece di bruciare il carburante, lo fa esplodere. In teoria, il PDE potrebbe consentire ad un aereo di raggiungere velocità attorno a Mach 5, anche se, a tutt’oggi, nessun motore di questo tipo è mai stato messo in produzione. I problemi legati ai motori PDE sono il rumore e le vibrazioni.
Intercooled recuperated engine:
l’integrazione all’interno del motore di un intercooler e di uno scambiatore di calore rende possibile recuperare il calore dai gas di scarico ad alta temperatura, per veicolarli nella camera di combustione e diminuire l’aumento di temperatura del bruciatore. Tutto ciò consente di ottenere un risparmio di carburante nell’ordine del 30% ed, allo stesso tempo, di ridurre i livelli di rumore e di NOx.
Carburanti rinnovabili:
la jatropha, un arbusto infestante che cresce sui terreni aridi, viene accreditato quale possibile fonte di carburante per gli aerei. Diverse compagnie aeree hanno testato con successo il carburante prodotto dai semi di jatropha, che si dice offra una riduzione fino al 60% dei gas ad effetto serra rispetto al carburante a base di petrolio. Nel giugno del 2011, un Gulfstream G450 alimentato da uguali quantità di carburante tradizionale e biocarburante a base di camelina ha compiuto il primo volo transatlantico mai effettuato con biocarburante.
L’uso dei biocarburanti aumenterà in modo significativo.
Sfide di taglio sempre nuove
Riflettori accesi sui progressi “verdi”
Alcuni dei numeri e delle statistiche che riguardano i motori degli aerei sono difficili da comprendere: ciascuna pala di soffiante a corda ampia esercita una forza centrifuga pari a circa 70 tonnellate, equivalente al peso di una moderna locomotiva; ogni pala di turbina ad alta pressione genera la stessa quantità di energia di una macchina di Formula 1; le pale nella parte più calda del motore devono funzionare a temperature di molte centinaia di gradi superiori al punto di fusione del materiale in cui sono fatte.
“I NUMERI SONO MOLTO CONTENUTI,” dice Steve Weston, application development specialist di Sandvik Coromant. “Ed è quando si cerca di aumentare ulteriormente le temperature per incrementare l’efficienza e ci si trova già al di sopra del punto di fusione del materiale che partono le vere sfide.”
Weston afferma che esistono alcuni materiali di nuovissima generazione con i quali Sandvik Coromant sta lavorando su espressa richiesta dei produttori di motori per l’industria aeronautica che sono quasi incredibili quanto a struttura e composizione. “Capita che ci arrivino in officina con l’aspetto di pietre lunari,” sottolinea. “Sono difficili da tagliare a causa delle loro caratteristiche, correlate ad un’elevata resistenza al taglio dinamico, e ad una scarsa dissipazione del calore, che può provocare una maggiore usura degli inserti. Ma se ci dicono cosa vogliono e ci danno il tempo, troveremo un modo per tagliarli, garantito!”
Uno di questi progetti che hanno visto il coinvolgimento di Sandvik Coromant è stato il progetto PANACEA – che sta per Processing of an Advanced Nickel Alloy for Critical Engine Applications (lavorazione di un un’avanzata lega di nickel per applicazioni critiche nel settore dei motori). Tra i partner di questo progetto troviamo la Rolls-Royce e l’Advanced Manufacturing Research Centre dell’Università di Sheffield, dove Sandvik Coromant è partner “Tier 1”.
Obiettivo era quello di sviluppare componenti per i motori – specificatamente dischi di turbine a gas – con una “doppia microstruttura”, per garantire diverse proprietà meccaniche al centro ed ai bordi del disco. Ciò consentirà ai motori di funzionare a temperature superiori a 50°C, il che li renderà dell’1,5% più efficienti dal punto di vista dei consumi di carburante. La tecnologia PANACEA consentirà di risparmiare 0,6 tonnellate di CO 2 ogni volta che un aereo attraverserà l’Atlantico.
Sandvik Coromant è stata coinvolta nella lavorazione di questo materiale specializzato. “Abbiamo lavorato il disco in modo completo su una sola macchina, e già di per sé questo è un fatto piuttosto unico, perché solitamente occorrono tante diverse piattaforme per poter lavorare varie caratteristiche del componente,” dice Weston. “Ma siamo riusciti a realizzare nuovi utensili ed a sviluppare nuovi metodi per lavorare ogni superficie del disco.”
Attualmente è in fase di produzione una versione più grande rispetto all’originale per consentire l’effettuazione dei test in scala reale. Il disco potrebbe entrare in servizio, facendo risparmiare carburante e tagliando le emissioni dannose, entro un paio d’anni.
Sandvik Coromant è stata uno dei partner chiave nel progetto PANACEA, guidato dalla Rolls-Royce.
