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Considerazioni sulla progettazione di ventole per aeromobili elettrici

Ripubblicato da Platone
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A causa delle preoccupazioni per l'impatto dei viaggi aerei sui cambiamenti climatici, la ricerca e lo sviluppo di aeromobili elettrici sono in corso da diversi anni. Nell'ultimo decennio diverse startup e grandi aziende hanno sviluppato velivoli elettrici o ibridi (Ros, 2017). L'obiettivo finale è condurre voli commerciali lunghi (>500 miglia) completamente elettrici con velivoli di grandi dimensioni in grado di trasportare centinaia di passeggeri, ma ciò richiederà almeno altri 100-5 anni di sviluppo. Fortunatamente, gli aerei elettrici più piccoli progettati per voli a corto raggio (<10 miglia) con 500-1 passeggeri sono già stati testati con successo utilizzando batterie elettriche, un sistema ibrido-elettrico e persino una cella a combustibile a idrogeno. Con questi progressi, viaggiare in aereo senza emissioni è più vicino di quanto pensi.

Aerei elettrici

Esempi di progetti di aeromobili completamente elettrici includono l'Airbus E-Fan 1.0 e E-Fan 1.1 (Airbus Group), mostrati nella Figura 1. Questi velivoli per due persone utilizzano due ventole canalizzate a passo variabile, mostrate nella Figura 2. Ciascuna ventola è alimentato da un motore elettrico da 30 kW. I motori sono alimentati da diversi pacchi batteria agli ioni di litio immagazzinati nelle ali. Sebbene l'aereo fornisca solo un'ora di volo, le batterie possono ricaricarsi in circa un'ora e possono essere facilmente sostituite.

Figura 1: Airbus E-Fan (gruppo Airbus)
Figura 1: Airbus E-Fan (Gruppo Airbus)
Figura 2: ventola intubata E-Fan (Varmin, 2014)
Figura 2: ventola intubata E-Fan (Vamin, 2014)

Oltre ai cambiamenti climatici, esistono diverse ragioni per cui gli aeromobili elettrici dovrebbero essere sviluppati dal punto di vista commerciale (Figura 3). I voli regionali a corto e medio raggio costituiscono una parte significativa di tutti i voli in tutto il mondo. L'attuale gamma di volo degli aerei elettrici è limitata a questi combattimenti a corto e medio raggio. Inoltre, i voli più brevi trascorrono relativamente più tempo in decollo e atterraggio rispetto alla crociera ad alta quota, il che rende i viaggi più brevi meno efficienti dal punto di vista energetico. Sebbene i voli regionali brevi siano economicamente poco attraenti per i grandi aerei commerciali, un aeromobile più piccolo con un consumo di carburante inferiore può fornire una valida alternativa.

Ragioni per perseguire la progettazione di velivoli elettrici (Nanalyze, 2019)
Figura 3: Ragioni per perseguire la progettazione di velivoli elettrici (Nanalizza, 2019)

Una delle sfide principali nello sviluppo di velivoli elettrici è il bilanciamento del peso e lo stoccaggio della batteria. La densità di energia del carburante degli aerei è più di 40 volte maggiore di quella delle batterie agli ioni di litio. Ciò significa che è necessario allocare più peso sull'aereo per la sua fornitura di energia e possono essere trasportati meno passeggeri e merci. I miglioramenti in questa sfida energia-peso potrebbero derivare da futuri sviluppi di batterie con una migliore densità di energia, nonché da una migliore conversione dell'energia dall'energia immagazzinata alla propulsione e al movimento dell'aeroplano. Considerando questo, quando si progetta un ventilatore elettrico per aeroplani, si dovrebbe porre un forte accento sull'efficienza energetica, poiché una maggiore efficienza comporta un minor consumo di energia da parte dei motori elettrici e potenzialmente un calo significativo del peso richiesto per l'accumulo di energia.

Velivolo ibrido-elettrico

Un modo per mitigare i problemi di peso e autonomia di volo consiste nello sviluppo di un velivolo ibrido-elettrico come lo Zunum Aero, mostrato nella Figura 4. Questo velivolo da 12 passeggeri utilizza un propulsore ibrido-elettrico per trasportare i passeggeri sui voli regionali (fino a 700 miglia). Le sue ventole a bassa pressione e passo variabile sono alimentate da motori elettrici e utilizzano la frenatura rigenerativa. L'aereo è stato progettato per consentire l'onboarding di nuove tecnologie in futuro, inclusa potenzialmente una transizione al volo completamente elettrico.

Figura 4: Velivolo ibrido-elettrico Zunum Aero (Zunum Aero, 2020)
Figura 4: Velivolo ibrido elettrico Zunum Aero (Zunum Aero, 2020)

I velivoli ibridi elettrici possono implementare progetti come la propulsione a ingestione dello strato limite per operare con una resistenza aerodinamica e un consumo di carburante ridotti, come descritto nella Figura 5. L'ingestione dello strato limite utilizza propulsori vicino alla parte posteriore della carrozzeria dell'aeromobile. Il flusso d'aria dello strato limite più lento aiuta a ridurre il consumo di carburante consentendo al motore di funzionare in parametri ottimali. Inoltre, viene generata meno resistenza, portando a una migliore efficienza del carburante. Un problema con l'utilizzo del flusso dello strato limite è che è molto distorto. Per questo motivo, i dewirler vengono generalmente utilizzati per raddrizzare il flusso di ingresso. Inoltre, le ventole devono essere più resistenti per gestire le sollecitazioni causate dalla distorsione del flusso (NASA Glenn Research Center, 2019).

Figura 5: Ingestione dello strato limite (NASA)
Figura 5: Ingestione dello strato limite (NASA)

Un'altra sfida progettuale è che la ventola dell'aereo e il suo motore elettrico corrispondente devono essere in grado di trarre energia dalle batterie molto più rapidamente durante il decollo e l'atterraggio rispetto alla crociera. Poiché le batterie si scaricano molto più rapidamente, si surriscaldano notevolmente. Le ventole degli aerei devono trovare un equilibrio durante queste modalità operative di picco per garantire che il consumo di energia non causi temperature estreme della batteria o periodi prolungati di consumo energetico elevato. In tal caso, è possibile implementare un sistema di raffreddamento per le batterie al fine di preservare la durata delle batterie e impedire che le batterie prendano fuoco. Un sistema di cambio rapido può anche essere implementato nella progettazione dell'aeromobile, consentendo la sostituzione di pacchi batteria esauriti o surriscaldati con pacchi batteria nuovi e consentendo più tempo in aria.

Velivoli a celle a combustibile a idrogeno

Un'area simile della ricerca sull'accumulo di energia è l'uso delle celle a combustibile per elettrificare gli aerei. Aziende come ZeroAvia hanno sviluppato un propulsore a idrogeno per generare un volo elettrico a emissioni zero. Nel settembre 2020, ZeroAvia ha condotto un volo di prova di 20 minuti per il suo velivolo commerciale alimentato a celle a combustibile a idrogeno. Mentre la densità di energia gravimetrica dell'idrogeno è tre volte quella del carburante per jet, l'idrogeno richiede serbatoi di stoccaggio più grandi per contenere l'elevato volume di carburante a bordo (McKinsey & Company, 2020). A seconda del peso della cella a combustibile e dei serbatoi di stoccaggio, le celle a combustibile a idrogeno possono aggirare il problema della densità di energia che ha limitato la progettazione di velivoli elettrici alimentati a batteria. Una limitazione all'utilizzo dell'idrogeno è che gli aeroporti dovrebbero installare nuove infrastrutture come elettrolizzatori in loco per generare il carburante a idrogeno. Se l'idrogeno viene prodotto utilizzando energia interamente rinnovabile come nella figura 6, è possibile realizzare un'aviazione a emissioni zero.

Aviazione a emissioni zero che utilizza una cella a combustibile a idrogeno (ZeroAvia)
Figura 6: Aviazione a emissioni zero che utilizza una cella a combustibile a idrogeno (ZeroAvia)

Cosa significa per l'aviazione nel futuro

Le considerazioni sulla progettazione di un ventilatore per aeroplani elettrici dovrebbero includere molti dei vincoli di progettazione derivanti dall'utilizzo di una fonte di energia elettrica a bassa densità di energia. Poiché le fonti di energia sono più pesanti e tendono a occupare più spazio sull'aereo, l'efficienza energetica e il peso della ventola dovrebbero essere ottimizzati per compensare queste carenze. Sebbene siano attualmente in fase di progettazione e sviluppo migliori fonti di energia elettrica, è necessario considerare i loro attuali limiti. Una volta sviluppati ventilatori e fonti di energia elettrica migliori, i voli più lunghi con emissioni potenzialmente zero possono diventare una realtà.

Esempi di ventole progettate utilizzando AxSTREAM
Figura 5. Esempi di ventilatori progettati utilizzando AxSTREAM®

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Fonte: https://blog.softinway.com/considerations-for-electric-aircraft-fan-design/

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