Decarbonizzare è necessario: il settore aeronautico contribuisce per il 30% alle emissioni di gas climalteranti causate dai trasporti, e con la domanda in costante crescita si prevede che il sistema attuale non sarà più sostenibile in un tempo brevissimo.
Per questa ragione, AESA Torino ha proposto come tema della terza edizione dell’AESATHON (il contest tenutosi dal 24 al 29 marzo 2023) l’impiego dell’Idrogeno nell’aviazione.
Un contributo fondamentale è arrivato dalla Collins Aerospace, azienda del settore con una sede a Torino, che ha collaborato con i nostri ragazzi nell’ideazione del topic e nella realizzazione di tutto l’evento.
Durante la prima giornata è stato svelato il tema ai 12 team partecipanti e, per fornire degli spunti su cui lavorare si sono alternati, sul palco della Sala Agorà di I3P tre relatori, che hanno composto in seguito anche la giuria di valutazione degli elaborati.
L’ing. Dario Savino, Chief Engineering Manager di Collins Aerospace Italy ha parlato della situazione attuale dell’idrogeno, degli obiettivi di decarbonizzazione e delle possibili applicazioni di questo rivoluzionario combustibile in aviazione. La sua esposizione ha toccato temi quali le difficoltà di stoccaggio che si incontrano a causa della bassa densità e della forte infiammabilità dell’idrogeno, proponendo delle soluzioni nel campo della generazione della spinta: i motori a getto e le fuel cell; inoltre, l’azienda che rappresenta ha una lunga storia di innovazione nel campo dei fluidi criogenici soprattutto con valvole di controllo, regolazione e di sicurezza.
Il prof. Paolo Marocco, componente del DENERG, ha focalizzato la sua discussione sull’utilizzo dell’idrogeno sotto forma di combustibile per la generazione di elettricità, analizzando prima le filiere di produzione della materia prima ed il loro impatto ambientale, poi i problemi di trasporto e stoccaggio e le previsioni di crescita della domanda di questo elemento. Infine, ha rivolto lo sguardo all’elettrificazione degli aeromobili con la tecnologia delle fuel cell, la cui efficienza aumenta con la temperatura operativa. Il fulcro del problema sta nell’adattare le tecniche al caso aeronautico, limitando le masse dei complessi sistemi di storing e produzione di elettricità. Per quanto riguarda lo stoccaggio, sono state suggerite soluzioni physical-based e material-based con implicazioni sulle masse e sulla quantità di idrogeno trasportabile dovute alla scarsa densità gravimetrica dell’idrogeno possibile allo stato attuale dell’arte.
L’ultimo intervento è stato dedicato dall’ing. Davide Ferretto del DIMEAS all’evoluzione dei sistemi di potenza installati a bordo nell’ottica della sostenibilità: sono state scandagliate le tematiche del design process del velivolo e della differenza tra potenza primaria e secondaria, a sua volta distinta in pneumatica, elettrica e idraulica. Successivamente la trattazione ha virato verso il concetto di More Electric Aircraft, che mira a progettare velivoli in cui i sistemi elettrici abbiano sostituito la maggior parte dei sistemi primari non elettrici. Con un approccio del genere volto inizialmente a diminuire le masse, si ridurrebbero al minimo le spillature dai propulsori migliorandone l’efficienza e abbassando i consumi di carburante, oltre ad avere sistemi di più semplici controllo e manutenzione. Infine, sono stati analizzati alcuni modelli di implementazione dell’idrogeno nell’aviazione, in sistemi di propulsione sia ibridi sia completamente alimentati ad , con un occhio di riguardo di nuovo allo stoccaggio, alla competitività economica di questo combustibile confrontata con quella del cherosene ed alle soluzioni di tipo aeroportuale.
Il tema proposto è stato molto impegnativo per tutte le squadre in competizione, ma ognuno è riuscito a proporre soluzioni interessanti prima guardando quelle che sono le condizioni attuali e poi ideando sistemi, metodi ed impianti innovativi, valutate dai giurati secondo alcune caratteristiche: in primis quelle operative, ossia originalità e interdisciplinarità del progetto, realizzabilità tecnica ed economica, integrabilità con tecnologie esistenti; in secondo luogo quelle espositive, quali la forma della presentazione, la chiarezza e la capacità di sintesi del gruppo.
Nella seconda ed ultima giornata del contest, il 29 marzo, sono stati presentati gli 11 elaborati in gara, sotto gli occhi attenti della giuria.
L’incubatore di StartUp del Politecnico, I3P oltre ad aver messo a disposizione la sala Agorà ed aver collaborato alla logistica ed all’organizzazione dell’AESATHON ha voluto partecipare alle discussioni per bocca del dott. Davide Tamburi, che ha esposto le mission dell’università in tema di brevetti e competenze imprenditoriali, e dell’ing. Leo Italiano, manager del progetto ESA Bic, che ha introdotto tutte le start up facenti parte questo speciale progetto di incubazione.
Il team premiato con la vittoria del contest, e quindi con un volo in ultraleggero presso l’AeroClub di Torino, è stato il numero 3, composto da Eleonora, David, Tommaso e Laetitia, tutti al primo anno dei corsi di laurea magistrale in Ingegneria Aerospaziale e Meccatronica. L’idea vincente è stata utilizzare i generatori termoelettrici per recuperare il calore di scarto prodotto dalle Fuel Cell a Idrogeno ed aumentarne in tal modo l’efficienza. Questo tipo di generatori sfruttano l’effetto Seebeck che convertono le differenze di temperatura in tensione, e questo effetto di amplifica all’aumentare del gradiente di temperatura tra le superfici della cella a combustibile, che funge da serbatoio di calore caldo, e della fusoliera esterna, chiaramente più fredda. Gli sviluppi futuri, secondo il team vincitore, spaziano dall’aumento delle temperature delle Fuel Cell, all’utilizzo dei metamateriali per aumentare ancora la differenza di temperatura tra le superfici.
Al termine della competizione, abbiamo avuto il piacere di intervistare la squadra vincitrice. Queste le loro parole:
“Allo svelamento del tema ne abbiamo subito capito la difficoltà, ma dopo un attimo di smarrimento abbiamo iniziato a cercare una soluzione al problema proposto guardandoci attorno e riordinando i pensieri e le conoscenze pregresse. È stato importante andare decisi verso un’idea precisa, focalizzandoci su un unico aspetto lasciando in secondo piano la visione d’insieme. Forse è proprio questo uno dei punti da rivalutare: non abbiamo tenuto a mente gli aspetti economici e soprattutto la difficoltà nel reperimento dei materiali termoelettrici, non ancora disponibili su larga scala. Non ci siamo dati l’obiettivo di rivoluzionare immediatamente il settore del trasporto aereo, ma crediamo fortemente che la nostra idea possa essere applicata sulla prossima generazione di velivoli alimentati ad idrogeno per migliorarne l’efficienza e quindi renderla competitiva rispetto alle tecnologie attuali. Crediamo inoltre che il nostro progetto possa essere integrato con alcuni degli altri elaborati presentati per questa competizione. Il nostro obiettivo, in definitiva, è entrare a far parte delle startup incubate in I3P.”
Sogni così grandi devono essere supportati da grandi idee, e nell’AESATHON di quest’anno se ne sono viste molte. Sconquassare il paradigma attuale dell’aviazione con un carburante come l’idrogeno è molto difficile, ma gli sforzi congiunti di tutti i soggetti in gioco stanno portando ad un nuovo livello la sfida. Pur dovendo fronteggiare le grandi difficoltà legate alla prodizione e allo stoccaggio, in pochi anni si potranno avere velivoli completamente privi di emissioni climalteranti, con un occhio al pianeta ed uno al portafogli.
A CURA DI
Luigi Salvi
Fonti immagini
https://www.airbus.com/en/innovation/zero-emission-journey/hydrogen/zeroe