Mentre l'industria aeronautica si sta riprendendo ai livelli pre-pandemia, gli innovatori stanno esplorando soluzioni per ridurre l'impronta di carbonio degli aerei. Credito:John McArthur tramite Unsplash
Con la rapida crescita complessiva dei viaggi aerei, la progettazione degli aeromobili è matura per la decarbonizzazione, ma il volo elettrico diffuso richiede batterie migliori e sistemi leggeri.
Mentre l'industria aeronautica emerge dall'impatto della pandemia di COVID-19, quando il numero di passeggeri è crollato, il numero di voli sta aumentando di nuovo. Il settore si sta riprendendo ai livelli pre-pandemia dei viaggi dei passeggeri aerei, con alcune stime che prevedono una crescita di oltre il 40% entro il 2050.
In generale, crisi a parte, il trasporto aereo di passeggeri tende a raddoppiare ogni 15 anni, con il settore dell'aviazione che si rivela anche una delle fonti di emissioni di gas serra (GHG) in più rapida crescita. Attualmente rappresenta il 2% delle emissioni globali di gas a effetto serra, ma si prevede che potrebbe triplicare entro il 2050 rispetto ai livelli del 2015 sulla sua traiettoria esistente.
Dato che il Green Deal europeo richiede la neutralità climatica entro il 2050, è necessario un ripristino verde per migliorare la sostenibilità dell'aviazione. Segui il link per saperne di più sulle misure che l'UE sta promuovendo per ridurre le emissioni del trasporto aereo.
L'aviazione sta diventando più efficiente con il miglioramento dei motori, ma la decarbonizzazione richiede alternative agli odierni velivoli affamati di combustibili fossili.
I sistemi di propulsione ibrida-elettrica e completamente elettrica offrono una risposta. Tali propulsori stanno già guadagnando terreno, con le vendite globali di auto elettriche raddoppiate lo scorso anno a 6,6 milioni.
Sono in corso numerosi progetti affinché l'aviazione segua l'esempio, ma deve affrontare molte sfide, non ultima il peso delle batterie.
Tuttavia, trovare alternative rispettose dell'ambiente che siano allo stesso tempo ad alte prestazioni e redditizie è "di fondamentale importanza", ha affermato Fabio Russo, responsabile della ricerca e sviluppo presso il produttore di aeromobili Tecnam a Capua, in Italia.
Scalabilità
Russo ha guidato il progetto H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), che ha studiato il potenziale dei sistemi ibridi-elettrici nei cosiddetti velivoli di "aviazione generale" (GA).
Coprendo oltre 400.000 aerei civili in tutto il mondo, questa categoria comprende aerei privati, business jet, elicotteri e altro, ma non aerei di linea commerciali.
Trattandosi di aeromobili che tendono ad essere relativamente piccoli, l'iniziativa H3PS li vede come un primo passo verso lo sviluppo di sistemi di propulsione elettrica per voli più ampi.
"Oggi abbiamo bisogno di soluzioni ambientali e il progetto H3PS è stato realizzato per dimostrarsi una soluzione efficiente, leggera e scalabile", ha affermato Russo.
"Scalabile significa che puoi spostare questo concetto da un aereo a quattro posti a un aereo a 11 posti o, eventualmente, a più posti".
Propulsore ibrido
Il progetto ha coinvolto anche Rolls-Royce e il produttore di motori Rotax. Uno dei suoi obiettivi era quello di pilotare un aereo a quattro posti alimentato da quello che è noto come un "propulsore ibrido parallelo", combinando sia un tradizionale motore a combustione interna che un motore elettrico.
Il sistema di propulsione ibrido può dare una "spinta" di potenza all'aereo durante le fasi di volo come il decollo e la salita, afferma Russo. Con un ibrido, ad esempio, puoi utilizzare un motore a benzina con una potenza inferiore al normale e colmare il vuoto per il decollo e la salita dell'aereo con un motore elettrico.
"Puoi quindi avere accesso a un motore a basso consumo di carburante", ha affermato Russo.
Questo approccio consente di ridurre le dimensioni e il peso del motore, consentendo di includere la batteria per il motore elettrico senza aggiungere un peso significativo al sistema.
Alla fine dell'anno scorso, il progetto è riuscito a prendere il volo con il suo velivolo Tecnam P2010 H3PS. In qualità di prima quattro posti a farlo utilizzando un sistema ibrido parallelo, H3PS ha evidenziato il risultato come "un'importante pietra miliare nel viaggio dell'industria aeronautica verso la decarbonizzazione e la ricerca e sviluppo su propulsori alternativi".
Risparmio batteria
Tuttavia, Russo ha sottolineato che il progetto riguardava la dimostrazione della fattibilità di tali velivoli piuttosto che la creazione di un prodotto per il mercato. C'è una strada da percorrere per renderli una realtà su larga scala, ha detto.
"Ci sono ancora molti limiti in termini economici dietro lo sviluppo di questo tipo di motore e velivolo", ha affermato Russo.
Un fattore limitante chiave è il modo in cui le batterie si deteriorano durante il ciclo di ricariche. Ciò significa che c'è un costo elevato per continuare a sostituirli in tempi che, al momento, secondo Russo potrebbero essere di pochi mesi.
Il primo volo del velivolo ibrido P2010 H3PS. Credito:© Tecnam, 2021/22
Crede che i miglioramenti si basino su una spinta reale, supportata dal supporto del settore della produzione di batterie, per potenziare la tecnologia delle batterie, riducendo al contempo i costi di spedizione e disattivazione e migliorando l'economia circolare.
"Un'economia locale per la produzione di batterie è essenziale", ha affermato Russo. "Ciò significherà anche che CO2 non viene salvato solo durante il funzionamento, ma ben prima e dopo l'utilizzo della batteria in un aeromobile."
Ha aggiunto che per i componenti degli aeromobili nel loro insieme, è necessario concentrarsi sull'intero ciclo di vita end-to-end e sull'impatto dei prodotti.
Ibridi validi
Russo ritiene che tali velivoli ibridi potrebbero diventare economicamente più sostenibili entro il 2030 circa, con il potenziale di risparmiare significativamente sulle emissioni in alcune fasi di volo.
Un test eseguito dal suo team ha indicato una potenziale riduzione del 50% delle emissioni di carbonio durante il decollo e la salita iniziale e del 20% durante l'intero viaggio di tre ore, suggerito dalla minore quantità di carburante utilizzato.
"Alla fine del volo, quando abbiamo misurato il carburante che abbiamo consumato, la differenza era notevole", ha detto Russo.
Altri progetti stanno studiando come ottimizzare diversi componenti per i futuri sistemi di propulsione elettrica dell'aviazione per renderli il più leggeri possibile, nonché sicuri ed efficienti.
Interferenza elettromagnetica
Ad esempio, il progetto EASIER ha progettato sistemi per limitare le interferenze elettromagnetiche (EMI) tra i componenti che potrebbero influenzare il funzionamento di un aeromobile.
The team is also investigating thermal methods to better dissipate heat generated by electrical components. That is all while trying to ensure the aircraft remain lightweight, taking the size and weight of current batteries into account.
Dr. Ignacio Castro, a senior principal engineer at Collins Aerospace, based in Cork, Ireland, is the coordinator for EASIER. He said the project has been looking into EMI filtering and wiring options with lower volume and weight for electrical powertrains in aircraft, plus "two-phase" cooling systems and methods to improve rates of heat transfer to an aircraft's exterior.
He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.
"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."
Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.
Trade-offs
There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.
He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.
"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.
Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.
Right direction
Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."
Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.
That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."
There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Esplora ulteriormente
