Uno studio di ETH Zurigo tenta di risolvere il problema delle vibrazioni del motore a reazione che rappresenta un limite nell’adattamento all’idrogeno
di Paolo Travisi
Il trasporto passeggeri e merci sarà su voli alimentati con H2?
L’idrogeno anche per i voli aerei? Sembra questa una delle possibili direzioni dell’aviazione commerciale. Se recentemente l’Europa con il progetto ENABLEH2 sta spingendo sulla tecnologia ad idrogeno per il trasporto aereo (si veda la ricerca dell’Università tecnologica Chalmers secondo cui il 97% dei voli scandinavi a breve e medio raggio potrebbe essere alimentato a idrogeno entro il 2045), un nuovo studio introduce un altro tema: l’adattamento dei motori a reazione alimentati a cherosene, per funzionare anche con il nuovo carburante.
“L’idrogeno brucia molto più velocemente del cherosene, dando origine a fiamme più compatte e questo fattore deve essere preso in considerazione quando si progettano i motori a idrogeno”, spiega Nicolas Noiray, professore presso il Dipartimento di Ingegneria meccanica e di processo presso l’ETH di Zurigo, i cui esperimenti hanno portato a risultati interessanti pubblicati sulla rivista Combustion and Flame.
Tra i problemi da risolvere, al primo posto ci sono le vibrazioni prodotte dal motore, che gli ingegneri stanno cercando di ridurre al minimo. “Le instabilità termoacustiche distruttive potrebbero potenzialmente rallentare in modo significativo lo sviluppo in corso di combustori a idrogeno per la decarbonizzazione dell’aviazione. La loro previsione precoce richiede la conoscenza della risposta della velocità di rilascio del calore delle singole fiamme alle perturbazioni acustiche”, si legge nell’abstract dello studio.
Nei motori a reazione, infatti, circa 20 ugelli di iniezione del carburante sono disposti attorno alla camera di combustione del motore che genera onde sonore; le onde vengono sono riflesse dalle pareti della camera ed in aggiunta alle fiamme danno origine alle vibrazioni.
Aerei a idrogeno, eseguiti i test per le vibrazioni e rilevamento acustico
“Queste vibrazioni potrebbero creare crepe e danni alla struttura, ecco perché, quando vengono sviluppati nuovi motori, si presta attenzione a garantire che queste vibrazioni non si verifichino in condizioni di volo”, considera Abel Faure-Beaulieu, tra gli autori dello studio. Ma trovare una soluzione al problema richiede lo sviluppo di sofisticate tecniche di attuazione e rilevamento acustico in ambienti con temperature e pressioni elevate. Un elaborato impianto di test e misurazione presso l’ETH di Zurigo ha permesso al gruppo di ricerca coordinato da Noiray di misurare l’acustica delle fiamme di idrogeno e di prevedere potenziali vibrazioni, tuttavia, il tipo di carburante – cioè l’idrogeno – ha un impatto importante sulle interazioni tra acustica e fiamma.
”La nostra struttura ci consente di replicare le condizioni di temperatura e pressione di un motore a quota di crociera. Il nostro studio è il primo del suo genere a misurare il comportamento acustico delle fiamme di idrogeno in condizioni di volo reali”, spiega Noiray dell’ETH di Zurigo ricreando l’acustica di varie camere di combustione, e quindi consentendo un’ampia gamma di misurazioni. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno modellato il comportamento acustico della raccolta di ugelli come sarebbe disposta in un futuro motore a idrogeno. Tra qualche anno, il motore dovrebbe essere pronto per i test iniziali a terra e, in futuro, potrebbe spingere il primo aereo alimentato a idrogeno.
Motore a idrogeno, alternativa agli aerei a batteria?
Ma perché potrebbe essere una buona soluzione usare l’idrogeno per l’aviazione? Anzitutto perché le batterie usate per le auto sarebbero troppo pesanti per gli aerei, mentre immagazzinare l’energia necessaria per far volare 200 passeggeri per migliaia di chilometri con l’idrogeno in serbatoi criogenici pesa almeno trenta volte in meno che usare le batterie. “Nei prossimi decenni, solo i piccoli aerei con una capacità di carico molto bassa saranno alimentati a batteria, mentre per gli aerei passeggeri e cargo, i carburanti sintetici sono l’unica alternativa al cherosene odierno e l’idrogeno è il più economico da produrre in modo sostenibile”, evidenzia ancora il ricercatore elvetico.
In ogni caso, a seconda delle dimensioni e dell’autonomia dell’aeromobile, le potenziali soluzioni sarebbero due: per i piccoli aerei regionali con basse velocità di crociera e brevi distanze, l’idrogeno può essere convertito in elettricità in una cella a combustibile a bordo, che aziona le eliche tramite un motore elettrico. Invece, per i voli a lungo raggio, le celle a combustibile non sono adatte a causa delle loro dimensioni e del loro peso, quindi l’idrogeno potrebbe essere una scelta quasi obbligata. Infatti diversi consorzi industriali stanno attualmente lavorando per sviluppare questi motori.
Ma gli aerei da soli non bastano a contribuire al processo di decarbonizzazione nel trasporto aereo passeggeri e merci. Secondo i ricercatori, un’altra sfida importante è la realizzazione dell’intera infrastruttura per l’aviazione a idrogeno, inclusa la produzione di idrogeno a impatto zero.
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