17:41 08 Agosto 2020
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Di recente la propulsione elettrica è diventata un tema molto popolare. Il vantaggio dei motori a trazione elettrica è chiaramente la loro sicurezza e il loro basso impatto ambientale. Le maggiori società produttrici di automobili, aerei e navi si stanno concentrando sull’elaborazione di tecnologie che permettano il passaggio all’elettrico.

Progetti simili sono all’attivo anche in Russia. Mikhail Gordin, direttore generale dell’Istituto centrale Baranov di sviluppo motori per l’aviazione, ha rilasciato un’intervista a Sputnik nella quale ha fatto il punto sulle ricerche in corso sulla trazione elettrica nella cantieristica aeronautica russa, ha previsto la comparsa sulle tratte tradizionali di aerei ed elicotteri dotati di motori elettrici e ha annunciato la creazione in Russia di un prototipo di motore elettrico per aerei.

— Al momento nel mondo si registra una tendenza verso l’elettrificazione del trasporto aereo. A cosa è dovuta?

—Non riguarda solo il trasporto aereo, ma anche quello automobilistico, ferroviario, navale, ecc. È dovuta principalmente al fatto che, parallelamente all’incremento dei trasporti, si è registrato un aumento delle problematiche di natura ambientale. Se prendiamo, ad esempio, gli aerei passeggeri, subito dopo le misure di sicurezza in volo al secondo posto per importanza troviamo i requisiti di carattere ambientale. Sebbene la quota di emissioni dovute all’aviazione sia pari a solo il 2-3% del totale mondiale e sebbene in assenza di cali tale quota non supererebbe il 15% entro il 2050, i fattori di inquinamento ambientale continueranno ad essere annoverati tra le principali criticità. I principali Paesi produttori di mezzi aeronautici che riusciranno a ridurre con successo le emissioni detteranno le condizioni ai cantieri aeronautici degli altri Paesi. A guisa di esempio si consideri il movimento Flygskam (in it., Vergogna di volare), nonché l’introduzione in Germania, Francia e altri Paesi di una tassa green sui biglietti aerei di ogni passeggero.

Lei si ricorderà probabilmente che nel 2010 in occasione del summit Ecologia e Aviazione i rappresentanti del settore aeronautico si posero l’obiettivo di dimezzare entro il 2050 la quota complessiva delle emissioni legate al trasporto aereo. Tuttavia, si consideri che per il periodo di tempo preso in esame è prevista una triplicazione del volume di viaggi aerei, dunque le emissioni degli aerei dovranno ridursi di ben 6 volte! Si tratta di progetti assai ambiziosi, soprattutto considerato che le tecnologie attualmente in uso non sono in grado di garantire il raggiungimento di tali obiettivi. Ad ogni modo, dal punto di vista aerodinamico gli aerei moderni hanno già raggiunto un elevato grado di perfezionamento tecnico e nemmeno il passaggio da modelli tradizionali al “tuttala” potrà garantire una riduzione delle emissioni nocive di più del 10-15%. Lo stesso riguarda i motori turboalbero: infatti, si prevede che il loro consumo specifico di carburante non si attesti a più del 10-15% entro il 2030.

Proprio per questo motivo, i maggiori produttori del settore quali Boeing, Airbus, Rolls-Royce, GE e Safran stanno ventilando la possibilità di utilizzare motori ibridi o completamente elettrici all’interno degli aerei.

— I media hanno più volte usato termini quali “aerei più elettrici”, “aerei completamente elettrici”, “motore ibrido” et similia. Quali sono le principali differenze?

— In realtà, i termini già di per sé sono eloquenti. Ad esempio, un “aereo più elettrico” è un velivolo nel quale la trazione è garantita da i turboalbero o dai motori a movimento alternativo tradizionali e nel quale sono assenti sistemi idraulici o pneumatici, solitamente finalizzati a garantire il funzionamento di altre componenti quali il telaio. In luogo di tali sistemi vengono utilizzati attuatori elettrici. Questa tipologia di velivolo, inoltre, non presenta sistemi di sfiato dell’aria destinati agli impianti antighiaccio e a quelli di condizionamento. Di conseguenza, si riduce la massa complessiva e aumenta l’affidabilità di questi sistemi, nonché l’efficienza energetica del motore. Queste variazioni nel complesso comportano una riduzione dei consumi di carburante e, pertanto, anche delle emissioni nocive. Impianti di questa tipologia hanno registrato un grande sviluppo all’inizio degli anni 2000 con il Boeing 787.

Quanto alla definizione di “aereo completamente elettrico”, la principale caratteristica che lo distingue dalla variante precedente è l’assenza di macchina termica all’interno dell’impianto motore. Per garantire la trazione su questi aerei vengono impiegati motori elettrici i quali si alimentano mediante accumulatori o pile a combustibile. Questo è un modello ideale dal punto di vista ambientale che assicura emissioni zero, elevata affidabilità e facilità di manutenzione.

— E quando riusciranno a volare sulle tratte passeggeri questi aerei?

— Diversi studi dimostrano che entro il 2035-2040 ad essere completamente elettrici saranno solamente gli aerei e gli elicotteri di piccole dimensioni, a breve percorrenza e in grado di trasportare al massimo 19 passeggeri. Totalmente elettrici saranno altresì i cosiddetti “taxi volanti” di capienza non superiore ai 4 passeggeri.

— E gli aerei di linea di dimensioni maggiori?

— In questo caso la situazione è più complessa: questi velivoli saranno dotati di un motore ibrido.

— Qual è il vantaggio di un ibrido?

— Come suggerisce il nome, questo impianto presenta una ibridazione di motori a combustione interna e attuatori elettrici alimentati mediante diverse fonti di energia elettrica. Quanto ai vantaggi, possiamo notare che il suo impiego permetterà di ridurre i consumi di carburante del 70% e di ridurre in maniera considerevole le emissioni nocive. Inoltre, si registrerà una diminuzione sensibile dei costi di manutenzione. In generale i motori ibridi ed elettrici permettono di creare velivoli con architetture del tutto innovative che garantiscono atterraggi e decolli molto rapidi.

motore
© Foto : IRKUT Corporation/Marina Lisceva

Per gli elicotteri l’impiego di impianti elettrici all’interno del motore permetterà di abbandonare la trasmissione meccanica che costituisce il loro tallone d’Achille. Inoltre, qualora il rotore venga azionato da attuatori elettrici, si renderà necessario variare la sua frequenza di rotazione, caratteristica essenziale per elicotteri veloci.

— Cosa ci può dire dell’impiego di questi motori sui velivoli militari?

— Un loro impiego diminuirà sensibilmente la percettibilità termica dei velivoli e incrementerà i volumi di energia elettrica disponibile a bordo, fattore fondamentale per l’utilizzo di armi elettromagnetiche e laser a bordo e di mezzi di guerra elettronica.

— Se questi motori sono così affidabili e vantaggiosi, perché ad oggi non vengono usati su larga scala?

— Come già detto, l’aviazione non è l’unico settore interessato dall’introduzione di motori elettrici. Quasi tutte le case automobilistiche stanno mettendo a punto e lanciando sul mercato modelli di automobili leggere dotate di motori ibridi o completamente elettrici. L’ostacolo principale alla loro diffusione su larga scala è il mancato perfezionamento delle relative tecnologie, l’assenza di inquadramento normativo e di esperienza d’uso che ne dimostrino l’affidabilità e la sicurezza. Nella cantieristica navale, nel trasporto ferroviario, sulle automobili e i cingolati sono universalmente utilizzate trasmissioni elettriche. I più attivi nell’introduzione di motori ibridi o completamente elettrici sono i costruttori di sommergibili non nucleari. Purtroppo, queste tecnologie non possono essere implementate sui velivoli per via dell’abbondanza di strumentazione a bordo, dell’assenza di fluido refrigerante illimitato e per via di altri problemi simili legati alle caratteristiche tipiche dei mezzi aeronautici.

Tuttavia, le competenze acquisite nei settori correlati potrebbero fungere da base per l’elaborazione di tecnologie alimentate mediante elettricità che possano essere impiegate sui velivoli. Il discorso vale anche al contrario. Tutte le tecnologie che sono o saranno in fase di elaborazione per l’aviazione potranno essere chiaramente impiegate anche su altri mezzi di trasporto o altri settori economici. Ad ogni modo, il grado dei requisiti tecnici imposti alle tecnologie destinate ai velivoli è estremamente elevato: probabilmente requisiti più stringenti vi sono solamente per i mezzi spaziali. Di fatto, ponendoci l’obiettivo di padroneggiare le tecnologie alla base dei motori elettrici per l’aviazione, ci stiamo prefissando di portare queste tecnologie su tutto un altro livello in termini di efficacia e affidabilità.

— Quale Paese sta avendo i migliori risultati nella produzione di simili velivoli?

— Al momento non possiamo ancora parlare di primato di un dato Paese perché siamo ancora agli inizi. I principali produttori di velivoli tengono particolarmente alla predisposizione di programmi per la elaborazione di motori ibridi ed elettrici. Tali programmi vengono realizzati di concerto con diverse organizzazioni, fra cui alcuni atenei. In Unione europea a partire dal 2012 è stato avviato un progetto per la costruzione del motore ibrido-elettrico E-Thrust per l’aviazione. Il progetto viene supportato da Airbus e Rolls-Royce con la collaborazione di importanti atenei europei quali Cambridge, Manchester e Cranfield. Rolls-Royce è il fornitore principale, mentre Airbus coadiuva nei lavori. Il punto di partenza del progetto è l’idea di un impianto turboalbero ibrido che interagisca con 6 motori elettrici. Nell’ambito di questo programma Airbus ha messo a punto il velivolo E-fan. Si tratta di un aereo completamente elettrico a due posti, destinato agli allenamenti sportivi. Può effettuare voli di durata compresa tra 45 e 60 minuti. Al momento Airbus e Rolls-Royce stanno ponendo in essere il progetto E-Fan X volto alla creazione di un prototipo di motore ibrido da 2 MW e finalizzato a test da effettuarsi sul velivolo BAe 146.

Negli USA a partire dal 2012 è in corso il programma Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR), finalizzato a promuovere idee innovative nell’ambito delle tecnologie elettriche. Il progetto più interessante proposto all’interno di detto programma è il velivolo X-57 Maxwell, ossia un aereo completamente elettrico a 5 posti. Sarà dotato di 14 motori elettrici, 12 dei quali sul bordo d’attacco dell’ala entrano in funzione solamente durante le fasi di decollo e atterraggio. I restanti due sono destinati a garantire l’alimentazione durante la fase di crociera. In un aereo del genere circa il 70% dell’energia è garantito da accumulatori. Vi sono anche altri progetti in corso.

— E in Russia?

— Nel settore automobilistico si stanno registrando buoni successi nell’ambito dei motori ibridi all’interno del Centro nazionale russo sulla ricerca automobilistica NAMI mediante l’implementazione del programma Edinaya modulnaya platforma (in it., Piattaforma modulare unica). Anche il consorzio KAMAZ ha predisposto un programma proprio in tal senso. Nell’ambito della cantieristica navale il Krylov State Research Center e il Rubin Central Design Bureau for Marine Engineering stanno lavorando alla creazione di motori per sommergibili sulla base di pile a combustione di massima potenza.

Quanto al settore dell’aviazione, ruolo di spicco lo svolge l’Istituto di ricerca Zhukovsky il quale riunisce tutti i centri del settore. Al fine di coordinare le ricerche è stata messa a punto la piattaforma Elektrichesky LA (in it., Velivolo elettrico). Ogni istituto partecipante al progetto lavora limitatamente alle proprie competenze principali. Ad esempio, l’Istituto centrale di aerodinamica (TsAGI) si occupa delle soluzioni compositive e del miglioramento delle caratteristiche aerodinamiche, mentre lo State Scientific Research Institute of Aviation Systems (GosNIIAS) si occupa della elettrificazione della strumentazione di bordo e dei sistemi di controllo. Una grande importanza la riveste il Baranov Central Institute of Aviation Motor Development (TsIAM) in quanto possiede esattamente le competenze e le tecnologie necessarie per l’elaborazione di questi motori. Storicamente, nei suoi 90 anni di storia, lo TsIAM si è occupato dello sviluppo di motori per l’aviazione. Inizialmente negli anni ’30-’40 si trattava di motori a movimento alternativo, invece subito dopo la guerra e fino ai giorni nostri l’istituto si è occupato essenzialmente di turboalbero. Ad ogni modo, di generazione in generazione per incrementare l’affidabilità e l’efficienza di questi impianti ci si è dedicati allo sviluppo e all’applicazione di nuove soluzioni tecnologiche. E oggi i lavori in questo senso continuano come sempre.

— Quali attività strategiche per il futuro sono attualmente in corso?

— Lo studio Elektrolet SU-2020 è finalizzato alla creazione di un prototipo di motore ibrido che sfrutti la superconduttività ad alta temperatura. Noi siamo il fornitore principale, mentre il coadiuvatore è la società SuperOks la quale su commissione del Fondo di ricerche strategiche sta mettendo a punto superconduttori. L’anno scorso si sono tenuti i test preliminari del prototipo di motore ibrido ed è stata ultimata la bozza di progetto per la creazione di un velivolo testbed sulla base dello Yak-40.

Come impianto è stato scelto il turboalbero TV2-117. Per questo motore di concerto con l’Università statale aeronautica di Ufa abbiamo messo a punto e realizzato un generatore da 400 kW, abbiamo reperito la batteria. I test su ogni componente sono stati eseguiti a terra sia singolarmente sia unitamente all’impianto.

Alla fine del lavoro che dovrebbe essere ultimato nel 2022 saranno condotti test in volo dell’impianto ibrido. A questo fine sarà riequipaggiato lo Yak-40 prevedendo la possibilità di installare un’elica la cui rotazione sarà alimentata mediante il motore elettrico “superconduttore”. Il test in volo permetterà di verificare l’approccio costruttivo alla creazione di simili impianti e stimare l’efficacia delle soluzioni tecniche implementate.

Al contempo stiamo valutando assieme al Fondo di ricerche strategiche la creazione a partire da un VK-2500 di un impianto ibrido superconduttore da 1.500 kW che utilizzi come carburante e fluido refrigerante dell’idrogeno liquido o del GNL. Una volta ottenuti i risultati dei test in volo e ultimato il progetto basato sul VK-2500, sarà possibile incominciare i lavori per la realizzazione dell’impianto ibrido destinato alle tratte locali.

Il progetto Perspektivnye GSU (in it., Motori ibridi strategici) è al lavoro su impianti di dimensioni più contenute. L’anno scorso abbiamo realizzato un motore elettrico da 60 kW (80 cv). Testbed per i test in volo è il Sigma-4. Si pensava di far volare questo mezzo già l’anno scorso ma abbiamo incontrato alcune difficoltà nella creazione del sistema di controllo del motore. Dunque, il volo non c’è stato. Forti dell’esperienza, stiamo rifacendo il sistema. Quest’anno l’aereo deve volare alimentato dall’accumulatore e tra un anno proveremo a fare lo stesso alimentandolo con la pila a combustione. Questa versione è un prototipo di motore elettrico destinato all’aviazione.

Inoltre, al momento si sta ventilando la possibilità di costruire sulla base di un VK-800 (prodotto dallo Stabilimento degli Urali per l’aviazione civile, UZGA) un impianto ibrido che integri il motore elettrico a un riduttore e a una turbina. I parametri di affidabilità richiesti ai velivoli monomotore sono significativamente maggiori di quelli bimotore. Maggiori a tal punto da rendere l’impianto per un velivolo monomotore considerevolmente più complesso e costoso. L’integrazione di motori turboalbero ed elettrico può semplificare molto il compito in quanto permette di porre in essere un modello che funziona come segue: in caso di mancata risposta dal motore turboalbero principale il funzionamento dell’impianto è garantito dalla fonte di emergenza, ossia dall’elettrico, per l’esecuzione di un atterraggio di sicurezza. Ad ogni modo, in qualità di fonti di emergenza possono essere impiegate quelle non ricaricabili le quali vantano una capacità elettrica per unità di massa maggiore rispetto agli accumulatori.

— E in che modo tutti questi progetti sono correlati fra di loro?

— Come premesso, presso l’Istituto Zhukovsky e gli altri centri sono in fase di esecuzione diversi progetti all’interno della piattaforma Elektrichesky LA. Nell’ambito dei motori elettrici e ibridi sono attivi anche altri organi russi i quali tuttavia sono poco coordinati fra loro. Questo purtroppo crea una sorta di sdoppiamento o comunque non permette di creare una base esaustiva e comune di tecnologie necessarie. La mutuazione di modelli stranieri non costituisce solo una dipendenza dalle importazioni, ma non permette nemmeno di creare e sviluppare competenze all’interno del Paese. Le tecnologie chiave non devono essere riprodotte a immagine e somiglianza di quelle già in possesso delle società straniere. Infatti, adottando questo approccio, rimarremo sempre indietro. Al contrario, dobbiamo tentare di svolgere il ruolo di capofila e porci obiettivi più ambiziosi.

I punti di vista e le opinioni espressi nell'articolo non necessariamente coincidono con quelli di Sputnik.

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