Poiché il trasporto aereo è sottoposto a pressioni per ridurre il suo impatto ambientale e ci spinge a riconsiderare le nostre scelte di trasporto, gli scienziati stanno cercando modi più ecologici per alimentare il volo.

Nonostante l'avanzare della tecnologia delle auto elettriche e i consumatori che lentamente ma inesorabilmente si avvicinano all'idea della guida elettrica, le prospettive del volo elettrico sembrano ancora molto lontane dal placare il nostro flygskam, il termine svedese per "vergogna del volo".

Ma il volo elettrico diventerà una realtà, è solo una questione di quando.

"Il consenso precedente è che il volo a lungo raggio completamente elettrico di aeromobili delle dimensioni di un Airbus A350 o Boeing 787 è tra 20 o 30 anni, ", afferma il professor Weijia Yuan dell'Università di Strathclyde.

"Ma a causa dell'urgente necessità di ridurre le emissioni di carbonio, abbiamo bisogno di alcune tecnologie drammatiche per consentire soluzioni non convenzionali per accelerare questo processo. La ricerca che stiamo facendo ora aprirà la strada".

Il professor Yuan guida un team di 15 persone nel Dipartimento di ingegneria elettronica ed elettrica che sta ricercando la superconduttività applicata nello stoccaggio di energia, cavi di trasmissione di potenza e propulsione elettrica per aeromobili.

"La superconduttività è una tecnologia fondamentale per consentire voli a emissioni zero, "dice il professor Yuan.

La sfida principale per il volo elettrico è come rendere le batterie e i motori elettrici piccoli ma abbastanza potenti da consentire a un aereo carico di passeggeri e dei loro bagagli di lasciare il suolo e percorrere qualsiasi distanza prima di esaurire il carburante.

"Attualmente non è possibile utilizzare motori elettrici convenzionali per alimentare un grande aereo passeggeri, perché sono troppo ingombranti e non hanno una densità di potenza sufficiente, ma i superconduttori potrebbero tenere la chiave.

"Per alimentare un aereo delle dimensioni di un Airbus 320 o un Boeing 737, i motori elettrici avrebbero bisogno di un'energia per unità di massa di almeno 40 kiloWatt per chilogrammo (kW/kg). Attualmente i motori più convenzionali sul mercato potrebbero gestire è di circa 5kW/kg."

Per ottenere più potenza dai motori elettrici è necessario aumentare la quantità di elettricità che un motore è in grado di trasportare.

Attualità

I superconduttori, come suggerisce il nome, sono materiali estremamente bravi a lasciar passare le correnti elettriche attraverso di essi con poca o nessuna resistenza.

La maggior parte delle persone è consapevole che alcuni materiali conducono l'elettricità meglio di altri; un filo di rame contro un guanto di gomma, Per esempio.

Più un materiale resiste al flusso di corrente elettrica, più energia elettrica si perde sotto forma di calore, luce o rumore. Questo è il caso dei motori elettrici esistenti. Più resistenza, meno efficiente è il sistema.

Un modo per ridurre la resistenza di un materiale è raffreddarlo. Più un materiale diventa freddo, più diventa conduttivo finché non raggiunge una temperatura critica in cui tutta la resistenza elettrica scompare improvvisamente e diventa superconduttivo, aumentando la quantità di energia disponibile.

rame superraffreddato, Per esempio, refrigerato a meno 200 gradi centigradi, può portare 1, 000 volte la corrente del rame a temperatura ambiente.

Un superraffreddato, la bobina superconduttiva potrebbe teoricamente contenere una carica elettrica indefinitamente.

Fatti freddi e duri

Però, la necessità di mantenere i superconduttori estremamente freddi per eliminare la loro resistenza elettrica rappresenta una sfida.

Mentre alcuni gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno studiando la cosiddetta superconduttività ad alta temperatura, qualsiasi cosa al di sopra di meno 200 gradi centigradi, o quattro gradi Kelvin—Il lavoro del professor Yuan si concentra sui conduttori a bassa temperatura.

Attualmente, il modo più comune di sottoraffreddare un conduttore utilizza l'azoto liquido, il gas più abbondante nell'atmosfera.

Si può utilizzare anche l'elio liquido, ma è un elemento molto più raro, mentre l'idrogeno liquido, un elemento estremamente esplosivo, richiede un'attenta manipolazione.

Quest'ultimo, però, può essere utilizzato per le celle a combustibile a idrogeno e potrebbe essere la fonte di energia preferita per l'industria aeronautica.

Il professor Yuan afferma:"Potrebbe essere che gli aeroplani a propulsione elettrica trasporteranno idrogeno da utilizzare sia come carburante che come refrigerante. Ma con l'idrogeno c'è una grande sfida per la sicurezza da affrontare.

"Il nostro lavoro è incentrato sul tentativo di migliorare l'efficienza dei motori elettrici riducendo al minimo il raffreddamento richiesto attraverso nuove configurazioni della bobina del motore, realizzati con metalli delle terre rare come ossidi di ittrio bario rame, e quindi utilizzando strumenti di analisi avanzata per guidare il processo di progettazione."

Gran parte della ricerca si svolge nel laboratorio di superconduttività applicata all'avanguardia di recente apertura all'interno del Technology &Innovation Center (TIC).

Il team sta lavorando con partner del settore tra cui Airbus, Rolls-Royce ed Epoch Wires con il finanziamento dell'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innovare il Regno Unito, il British Council, e la Reale Accademia di Ingegneria, che ha anche finanziato due borse di ricerca di ingegneria per i dirigenti accademici del nuovo laboratorio, il professor Weijia Yuan e il dottor Min Zhang. Il professor Yuan è stato ricercatore presso la Royal Academy of Engineering tra il 2013 e il 2018.

Aggiunge:"Uno degli aspetti unici che abbiamo a Strathclyde è un forte dipartimento di ingegneria elettronica ed elettrica combinato con la capacità di produzione presso l'Advanced Forming Research Center e strutture come il Power Networks Demonstration Center. È una combinazione unica."

Propulsione ibrida

Anche se un volo completamente elettrico del tipo che porterà centinaia di vacanzieri in climi più caldi potrebbe essere ancora tra un paio di decenni, Il professor Yuan è ottimista per la tecnologia.

"Ci sono ancora modi per migliorare i motori a reazione senza diventare completamente elettrici, ad esempio attraverso la propulsione ibrida dove si utilizza la combustione come fonte di energia ma motori elettrici per la propulsione. Ciò ti darebbe un risparmio di efficienza nella regione del 10-20%, " lui dice.

"Il volo è solo una delle tante applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dalla superconduttività:altre includono i sistemi energetici che utilizziamo nelle nostre case e nell'industria, cavi per la trasmissione di energia da parchi eolici offshore che potrebbero facilitare una super rete europea in cui l'elettricità può essere inviata su grandi distanze con poca perdita di energia."

Il professor Yuan e il dottor Min Zhang sono coinvolti in un nuovo progetto quadriennale da 10,4 milioni di euro finanziato da Horizon 2020 chiamato IMOTHEP—Investigation and Maturation of Technologies for Hybrid Electric Propulsion.

Il progetto, guidato da ONERA, il laboratorio aerospaziale francese e comprendente 33 importanti partner dell'industria aeronautica e della ricerca, studierà le tecnologie elettriche per velivoli elettrici ibridi insieme alla progettazione di configurazioni avanzate di aeromobili e architetture di propulsione innovative.

Il professor Yuan e il dottor Zhang si concentreranno sull'elettronica di potenza criogenica e sulla distribuzione di energia superconduttiva.

L'obiettivo finale del progetto è valutare il potenziale della propulsione elettrica ibrida per ridurre le emissioni dell'aviazione commerciale ed eventualmente costruire una roadmap tecnologica per il suo sviluppo.

Dopo essere entrato a far parte di Strathclyde nel 2018 dall'Università di Bath, dove ha ottenuto la sua prima posizione dopo il completamento del suo dottorato di ricerca. a Cambridge, Il professor Yuan è ottimista e desideroso di portare la sua ricerca a un livello superiore.

Dice:"Spero di poter vedere applicata la nostra ricerca nei prossimi 5-10 anni e di creare con successo una società spin-out per commercializzarla.

"Se si considerano i materiali con cui stiamo lavorando, per lo più ossidi di rame delle terre rare, sono stati scoperti solo nel 1986, ci vorrà ancora un po' di tempo prima di poterli applicare alle funzioni quotidiane, "dice il professor Yuan.

"Ma Strathclyde è leader nel Regno Unito in questo campo, sia in termini di volume di ricerca che di dimensioni del team."