Durante l'avviamento a freddo, un motore di un'auto emette molto più particolato e altri inquinanti rispetto a quando fa caldo. Questo perché un convertitore catalitico freddo è molto meno efficiente a basse temperature dei gas di scarico. Allora qual è la risposta? Preriscalda il gatto con le microonde. Gli scienziati dell'Empa hanno sviluppato il primo riscaldamento del convertitore a microonde per applicazioni su autovetture.

I motori a combustione interna sono attualmente sotto tiro, più e più volte. Il primo problema era la fuliggine diesel, ma questo potrebbe essere affrontato con filtri antiparticolato. Quindi, di nuovo con il diesel, sono stati messi a fuoco gli ossidi di azoto nocivi, che è stato (presumibilmente) affrontato con complicati sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Ciò che tende a essere supervisionato nel dibattito sul diesel:i motori a benzina contribuiscono alle emissioni di particolato nelle città, pure, soprattutto nei luoghi in cui molti motori si avviano a freddo. Il 90 percento di tutte le sostanze inquinanti viene prodotto nel primo minuto dopo l'avviamento a freddo di un moderno motore a benzina.

O per dirla in un altro modo:i primi 500 metri sulla strada inquinano l'aria tanto quanto i successivi 5, 000 chilometri a condizione che il veicolo fosse guidato senza sosta. I convertitori catalitici che si riscaldano il più velocemente possibile o, meglio ancora, che già puliscono i gas di scarico in modo efficiente durante i primi giri del motore, sono quindi vitali per un ulteriore miglioramento significativo della qualità dell'aria. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, uno specialista nel trattamento dei gas di scarico presso l'Automotive Powertrain Technologies Laboratory dell'Empa e il suo team, ha lavorato negli ultimi due anni per trovare una soluzione al problema dell'avviamento a freddo. Con il sistema sviluppato si prevede una significativa riduzione dell'inquinamento atmosferico nelle aree urbane, data l'elevata frequenza delle partenze a freddo e le basse distanze percorse. Il progetto è finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS) e dall'Ufficio federale dell'ambiente (UFAM).

Le proprietà di trasferimento del calore di un convertitore catalitico devono essere adattate per consentire un riscaldamento rapido a 300 gradi Celsius utilizzando la minor energia possibile. Dopotutto, questa energia deve essere fornita dal sistema di alimentazione del veicolo. Dimopoulos Eggenschwiler propone una struttura a poro aperto con uno speciale rivestimento, che può essere riscaldato da un piccolo trasmettitore a microonde in dieci secondi, proprio come il forno a microonde di casa. Già nel 2012, il team Empa ha già sviluppato un convertitore catalitico particolarmente efficiente:una colata in ceramica di schiuma di poliuretano che fa vorticare i gas di scarico in modo più efficace e genera meno contropressione rispetto a un convertitore catalitico con la sua struttura a nido d'ape convenzionale.

Ceramiche dalla stampante 3D

Il catalizzatore a base di schiuma ha poi dato il via all'idea successiva:una struttura reticolare poliedrica composta da sottili montanti in ceramica che richiede solo una bassa quantità di metallo prezioso per raggiungere un'elevata conversione degli inquinanti. "Prima di tutto, abbiamo cercato una struttura ideale sul computer, " dice Dimopoulos Eggenschwiler. "Una struttura che si riscalda rapidamente, accelera le reazioni chimiche e impedisce il meno possibile il flusso di gas. Poi ci siamo messi a ricreare la struttura in ceramica." Gli specialisti della Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) di Lugano hanno costruito il reticolo disegnato al computer utilizzando la stereolitografia, una sorta di stampa 3D da liquidi e luce UV. Gli esperti dell'Empa hanno poi rivestito la ceramica con carburo di silicio, ossido di zirconio e ossido di alluminio – e le sostanze del convertitore catalitico attivo costituite da platino, rodio e palladio. Ingegnere SA, un'azienda ticinese, ha ipotizzato la produzione della prima piccola serie e ha dichiarato il proprio interesse ad aumentare la capacità qualora la domanda del mercato fosse sufficientemente elevata. A bordo c'è anche il produttore svizzero di catalizzatori HUG Engineering AG.

Aspettative soddisfatte

Quello che probabilmente è il primo convertitore catalitico di scarico stampato in 3D al mondo ha soddisfatto le aspettative nei test sul campo:nello scarico del reattore a gas modello Empa il gatto a forma di poliedro ha effettivamente pulito gli inquinanti in modo ancora più efficace rispetto al catalizzatore a base di schiuma del 2012. Sulla scia dei loro test di laboratorio iniziali di successo utilizzando gattini modello, i ricercatori stanno ora parlando con partner industriali per integrare uno di questi convertitori catalitici a grandezza naturale in un veicolo di prova. Attualmente è in fase di progettazione la prima applicazione per testare questi nuovi sviluppi sia al banco dinamometrico che su strada in un veicolo reale.

Il prossimo passo per Dimopoulos Eggenschwiler sarà incorporare il riscaldamento a microonde. "E' importante non riscaldare l'intera struttura ceramica, ", dice. "Vogliamo riscaldare solo alcuni segmenti del convertitore catalitico con le microonde che vengono generate utilizzando la preziosa carica della batteria. Non appena iniziano le reazioni chimiche, tutte le altre parti si surriscaldano da sole." Secondo lo specialista dei gas di scarico, da uno a due kilowatt possono essere facilmente deviati dalla batteria di un veicolo per dieci o 20 secondi. "Dovrebbe bastare." Non appena il motore è in funzione, i gas di scarico e le reazioni chimiche nel convertitore catalitico generano calore sufficiente per mantenere alte le temperature, a quel punto il microonde può essere spento. Le emissioni di avviamento a freddo potrebbero quindi essere presto un ricordo del passato.