Trimestrale di cultura civile

La nuova frontiera del volo in elettrico o a idrogeno

  • DIC 2022
  • Gianni Guiducci

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Per contenere l’inquinamento prodotto dagli aeroplani si studia e si lavora per convertire gli aerei di domani all’utilizzo di motori elettrici. Un tragitto destinato a modificare radicalmente la mobilità nei cieli. Alcuni Paesi del Nord Europa si stanno adoperando per raggiungere l’inquinamento aereo a zero entro scadenze ragionevoli. L’impegno è massimo e le difficoltà notevoli per riuscire ad abbandonare gli attuali motori a combustione. Scopriamo quello che si sta facendo in materia di motori elettrici e a idrogeno.

Già da alcuni anni – e a maggior ragione nella situazione attuale – si sta cercando di convertire gli aerei all’utilizzo di motori ecologici.

Da alcuni anni diversi Stati – Svezia e Finlandia con raggiungimento dell’inquinamento aereo a zero entro il 2045; la Norvegia entro il 2040; mentre la Danimarca entro il 2035 – cercano di costringere, sia con tasse sia con incentivi, i costruttori e le compagnie aeree all’utilizzo di comportamenti e metodologie a minor impatto ecologico e la popolazione all’utilizzo di trasporti alternativi per voli a breve percorrenza. La Francia, ad esempio, non permette la prenotazione dei posti a bordo per voli diretti di durata inferiore alle due ore e mezzo di volo; ciò spinge i passeggeri all’utilizzo del treno o dell’autobus. Anche la IATA (International Air Transport Association – unione delle compagnie aeree) si è impegnata a raggiungere, entro il 2050, la net-zero emission. Si è già operato affinché siano utilizzate procedure che consentano un minor utilizzo dei motori ad alti regimi, ad esempio: discese continuate, al posto di livellamenti, durante le discese e gli avvicinamenti e così via; tale orientamento prende il nome di green-flight.

Nuovi vertiporti

In questo periodo, costruttori di aerei e di motori, dopo gli adeguati studi, hanno già costruito dei prototipi. L’Advance Air Mobility si sta orientando alla costruzione di droni a quattro eliche a decollo e atterraggio verticali (come quelli giocattolo o quelli professionali per riprese aeree o utilizzati ad esempio da parte dei vigili del fuoco); appaiono con una cabina pilota-passeggeri e quattro aste con nel vertice le eliche orizzontali. Il concetto è di permettere a quattro persone di spostarsi per brevi tratti privatamente o tramite taxi dell’aria. Un aspetto molto positivo è dato dalla silenziosità di tali velivoli che si sposteranno sopra gli agglomerati urbani. Risultato: meno inquinamento acustico e dell’aria. Si tratta del Joby Aviation, con classiche ali e sei eliche spingenti; il Butterfly, quattro eliche, cinque passeggeri e 185 km di autonomia; oppure il Volocopter, 250 Km di autonomia, con bracci che sostengono una struttura a forma di cerchio su cui sono poste le diciotto eliche orizzontali.

Diversi altri studi si concentrano sulla prospettiva di velivoli a forma classica come un piccolo aereo da aeroclub, motore ed elica frontale, ali, coda e impennaggi di governo.

Nel caso tale situazione si sviluppi, sorgerà il problema di dove potranno atterrare; si studiano norme per nuovi vertiporti, o per predisporre aree negli aeroporti attuali, al fine della gestione dei futuri aerei. Vi è anche la problematica di come separarli in volo, tramite la gestione del traffico aereo da parte di una struttura apposita.

Il tema fondamentale è la sostituzione degli attuali motori a combustione con aerei elettrici (o a idrogeno).

L’utilizzo dei pannelli solari, ora, non risolve il problema. Le superfici utilizzabili, quali le ali, hanno un’area insufficiente per consentire una valida autonomia, rispetto al numero di passeggeri trasportati; oltre al fatto che il volo notturno sarebbe precluso.

I motori a combustione, utilizzanti JetA1(kerosene) o benzina, hanno un’efficienza effettiva modesta, rispetto al peso del carburante imbarcato e alla spinta reale. Solo il 60%, del carburante bruciato restituisce un’effettiva spinta al moto. Un motore elettrico raggiunge, da par suo, ben il 90% di efficienza al moto.

È da tener presente che i velivoli con motore a combustione, man mano che consumano il carburante, possono salire a quote più alte ove consumano meno o rimanere alla stessa altitudine e ridurre il regime dei motori consumando meno. In entrambi i casi aumenterà l’autonomia.

Nei motori elettrici, invece, l’aereo ha sempre lo stesso peso, dal decollo all’atterraggio, per cui l’autonomia è sempre la stessa.

Energia immagazzinabile

L’utilizzo di aerei elettrici, pare possa far scendere il costo di un volo di circa ventisette volte rispetto all’utilizzo di kerosene, che in quest’ultimo anno è aumentato dell’80%. Per quanto concerne il peso delle batterie necessarie e la quantità di energia adesso immagazzinabile, va precisato che già le batterie al litio sono più efficienti delle precedenti (basti pensare alle attuali all’interno degli smartphone), ma vi sono altre nuove soluzioni da parte della National Aeronautics and Space Administration che fanno ben sperare. Dobbiamo anche considerare che, mentre il rifornimento di carburante è assai veloce, occorrono diverse ore per ricaricare pacchi batterie montate su velivoli di grosse dimensioni.

L’autonomia attuale delle batterie consente a un piccolo aereo di rimanere in volo appena trenta minuti; come, ad esempio, il Pipistrel Velis, piccolo e leggero biposto adatto ai soli voli intorno al campo, già omologato da European union Aviation Safety Agency. Oppure l’inglese Zenith CH750, con due persone a bordo.

Certamente più valido è l’Alice Eviation (che sarà omologato nel 2023 ed entrerà in commercio probabilmente nel 2024) che ha un’autonomia di un’ora e ciò gli consentirà di percorrere circa 1200 km. Tale velivolo può portare due piloti e nove passeggeri.

Rapporto sull’efficienza

Vi è poi l’aspetto della stessa costruzione dei motori a pistoni o di quelli a reazione; essi danno la rotazione all’elica, o al compressore/turbina, con un gran numero di parti in movimento; mentre nel motore elettrico a ruotare è solo l’asse dell’elica, o dell’elica intubata. Volendo mettere a confronto i sistemi attuali, dobbiamo sapere che con un chilogrammo di kerosene, siamo in grado di ottenere un’efficienza di ventisette MegaJoule, che è l’unità di misura. Sapendo che solo il 60% di tal energia potrà sviluppare il moto, otteniamo ventisette MJ/Kg. Con le più moderne batterie il valore diventa di 1,8 MJ/Kg peso batteria, il 90% di energia sviluppabile il moto diventa 1,6 MJ/Kg. Perciò al momento la bilancia pende verso lo stato attuale, per lo meno a riguardo dei velivoli di linea.

Il contributo dell’idrogeno

Per la creazione di energia, sia che vogliamo generare corrente elettrica da immagazzinare nelle batterie, sia che vogliamo scindere l’idrogeno dall’ossigeno nell’aria, ciò comporta una lavorazione/trasformazione che, per il momento, richiede molta energia sotto forma di materiali fossili, perché per i sistemi attuali –idrico, eolico o a pannelli solari – risultano essere poco efficienti.

Anche il sistema elettrolisi richiede energia elettrica che dobbiamo utilizzare per scindere l’idrogeno dall’ossigeno. In parole povere, la generazione di energia utilizzabile richiede una quantità di energia non green quasi pari all’energia green utilizzabile. La nuova strada per produrre idrogeno è costituita dalle celle a combustibile. La loro efficienza (per kg di gas) raggiunge i 140 MJ/Kg e la resa è pari al 60% di energia che svilupperà moto, per cui abbiamo a disposizione ottantacinque MJ/Kg di gas effettivi. Questa renderebbe la strada più promettente. Per avere a disposizione idrogeno in quantità sufficiente, esso è immagazzinabile in bombole pesanti e a una pressione di circa 300 bar (300 kg per centimetro quadrato), che, ovviamente, possono essere assai pericolose.

Il futuro prossimo

Se riusciremo a inventare nuovi sistemi più efficienti e con fonti alternative per la ricarica delle batterie e della produzione di idrogeno, sarà veramente possibile diminuire l’inquinamento.

Secondo gli esperti, le maggiori possibilità, a breve periodo, riguardano l’utilizzo dei droni in precedenza illustrati, che consente di diminuire sia il rumore sia l’inquinamento a livello di spostamenti nelle aree urbane, consentendo la sostituzione di auto private e taxi. Per i voli di linea, dovremo attendere un periodo di tempo più lungo.

Gianni Guiducci è 1° Comandante, Perito del Tribunale di Milano dal 1984. Specializzato in incidenti aerei, sicurezza del volo, gestione compagnie aeree, addestramento, professionalità degli equipaggi.

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