Le rotte di volo degli aerei passeggeri sono generalmente ben consolidate. In pratica, fattori imprevisti, principalmente legati al tempo, spesso costringono i piloti a percorrere più chilometri del previsto. Un team polacco-colombiano di scienziati e ingegneri, ispirato dal comportamento di insetti e uccelli, ha sviluppato un software che consente la modifica razionale in tempo reale delle rotte di volo. Il sistema ha mostrato vantaggi finanziari e ambientali misurabili.

La fauna selvatica è stata spesso fonte di ispirazione per gli scienziati. Questo è stato il caso degli scienziati e degli ingegneri dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia e dell'Universidad Cooperativa de Colombia (UCC). Il team ha utilizzato le proprie conoscenze interdisciplinari per ottimizzare le rotte di volo degli aerei. L'obiettivo era ridurre le emissioni di gas serra, ridurre l'inquinamento acustico e ridurre i costi operativi. Il compito è stato svolto utilizzando algoritmi che riflettono le caratteristiche del comportamento delle api e dei cuculi.

"A Varsavia, ci occupiamo principalmente di catalisi. Recentemente, nell'analisi dei problemi catalitici sono stati applicati metodi ispirati a soluzioni trovate in natura, " spiega il prof. Juan Carlos Colmenares, dell'IPC PAS. "Eravamo interessati a vedere se potevamo utilizzare le nostre conoscenze per ottimizzare la combustione del carburante nei motori degli aerei. Con i nostri partner colombiani, abbiamo iniziato a lavorare con un modulo, ma il programma iniziò rapidamente a crescere per includere più, tenendo conto di altri fattori che influenzano i modelli di volo."

In sviluppo da tre anni, il software è stato preparato in termini di impostazione di rotte di volo ottimali per velivoli a corto raggio dotati di motori turbo-fan con un volume di combustione costante. All'interno di questo gruppo, ogni tipo di aeromobile è rappresentato da un opportuno set di parametri. Nel futuro, i ricercatori prevedono di espandere il software con algoritmi e dati che tengano conto delle caratteristiche specifiche degli aeromobili con motori di altro tipo. Il software incorpora già tutta una serie di parametri, legate non solo al tipo di combustibile utilizzato, prestazioni del motore o aerodinamica, ma anche alle rotte di volo originariamente ipotizzate, profili di salita e discesa, lunghezza delle piste aeroportuali e topografia locale. I moduli sulle emissioni chimiche e acustiche si occupano dell'ottimizzazione dell'impatto sull'ambiente. Il pacchetto soddisfa gli standard di sicurezza imposti dall'Organizzazione internazionale dell'aviazione civile (ICAO).

Il cuore del software sono due algoritmi per trovare potenziali traiettorie di volo. L'algoritmo di base utilizza principi visti in natura nel movimento di gruppi di animali, soprattutto in banchi di pesci o sciami di api. Ogni individuo del gruppo decide il prossimo movimento in base alla conoscenza accumulata dei migliori luoghi visitati da quell'individuo e da altri del gruppo; tiene conto anche dell'inerzia del movimento.

Nel pacchetto di ottimizzazione delle traiettorie di volo, le "api" sono vari punti intorno all'aereo, ognuno di loro viene trattato come un individuo separato che naviga nell'area. L'algoritmo inizia a funzionare da uno sciame di punti che si muovono attorno all'aereo. Nelle successive iterazioni dell'algoritmo, le "api" iniziano a raggrupparsi intorno al luogo ottimale in un dato momento, che è considerata la fase successiva della traiettoria di volo.

Il secondo algoritmo per la ricerca della fase successiva del volo imita il comportamento del cuculo, un uccello che depone le uova nei nidi di altri uccelli. Le traiettorie di volo progettate utilizzando l'algoritmo del cuculo sono caratterizzate da lunghi, tratti rettilinei, ruotando rapidamente di 90 gradi.

"Il grande vantaggio del software che abbiamo sviluppato è il fatto che funziona in tempo reale. Di conseguenza, il controllore di volo e il pilota ricevono suggerimenti su base regolare. Non solo possono prendere una decisione rapidamente, ma anche consapevolmente, una volta scelto un percorso leggermente più rischioso, ma uno più economico, altre volte optando per un percorso massimamente sicuro, ma impiegando un po' più di tempo, "dice il prof. Colmenares.

Per testare il software, i ricercatori hanno analizzato l'efficacia delle sue previsioni per quanto riguarda il popolare aereo Airbus A320 con motori CFM56-5, servendo rotte di circa 350 km con parametri di volo tipici (velocità di crociera 828 km/h, 39, 370 piedi, eccetera.). Le simulazioni mostrano che in situazioni non convenzionali, i percorsi proposti dal software erano, in media, circa 11 km più brevi di quelli tipici alternativi, delineato in maniera classica sulla base del piano di volo. In definitiva, l'ottimizzazione ha consentito di ridurre i costi operativi totali di una macchina dell'1,16%.

"Il profitto a un livello non molto superiore all'1 percento non sembra particolarmente elevato. Le nostre simulazioni mostrano, però, che nel caso di un aereo singolo ma spesso utilizzato, il risparmio in un anno può raggiungere anche centinaia di migliaia di dollari. Eppure stiamo appena iniziando ad espandere il nostro software e non è ancora completamente ottimizzato! Così, nel futuro, possiamo aspettarci risparmi leggermente superiori a quelli attualmente previsti... ma non dobbiamo aspettarci miracoli", dice il Dott. Ing. Ramón Fernando Colmenares-Quintero, Prof. UCC.

Nei prossimi anni, saranno migliorate le singole parti del pacchetto ottimizzando le rotte dei voli, e il pacchetto stesso verrà ampliato con nuovi moduli.