Come saranno gli aerei del futuro? Cos’è il Thermal Management? Riusciremo a progettare velivoli in grado di rispettare gli obiettivi in termini di sostenibilità? Scopriamolo insieme a Lorenzo Mazzei e Niccolò Casini, Responsabile scientifico e ricercatore FABER 4 per Ergon Research.
Qual è il valore di un progetto come FABER per la vostra azienda?
Lorenzo Mazzei: Per noi FABER è sempre stato un punto di riferimento per l’inserimento in azienda di nuovi ricercatori, non è infatti la prima volta che Ergon Research partecipa al Programma. Durante la prima edizione venne utilizzato il bando per assumere un ricercatore che aveva già conseguito il dottorato (in gergo, un post-doc). Una grande opportunità perché ci ha permesso di inserire una persona formata, Leopoldo, su una problematica altamente specifica. Il nuovo FABER ci dà un vantaggio diverso, ossia di lavorare più a lungo termine. Il nostro obiettivo è stato quello di inserire una persona che possa nel tempo formarsi e sviluppare strumenti in grado di risolvere questioni complesse. L’azienda sta attualmente lavorando su delle problematiche di più lungo respiro, specialmente legate al Thermal Management.
Cosa intendiamo per Thermal Management?
Niccolò Casini: Per Thermal Management intendiamo il controllo delle temperature e dei flussi di calore sia di componenti meccanici, che soprattutto elettrici ed elettronici come ad esempio un processore di un computer, una cella a combustibile, un motore elettrico o una batteria di auto elettrica. Parliamo di dispositivi ad elevata densità di potenza, in altre parole che generano molto calore in dimensioni contenute. Il loro corretto funzionamento richiede di mantenerli in uno stretto intervallo di temperatura per massimizzare le prestazioni. Al di fuori di questa condizione, il sistema potrebbe risultare inefficiente o, nella peggiore delle ipotesi, causare problemi per la sicurezza (come nel caso di thermal runaway e successivo incendio delle batterie). L’interesse verso questo argomento è letteralmente esploso negli ultimi anni per via dei trend legati all’elettrificazione e all’idrogeno. Da queste necessità nasce la sfida del mio dottorato.
Questi bisogni ci spingono verso sistemi di raffreddamento più performanti grazie al “Design for Additive Manufacturing” (DfAM) e più in generale ad una manifattura di tipo additivo. Al contrario dell’approccio tradizionale basato su sottrazione di materiale, è possibile partire da zero e realizzare nuovi strati attraverso l’aggiunta di polveri. Una tipologia di produzione che usa le moderne stampanti 3D per l’industria, per andare a stampare oggetti molto più complessi. Questa tecnologia realizzativa, abbinata ad un processo di progettazione basato su simulazioni fluidodinamiche 3D dedicate, rende possibile realizzare oggetti con geometrie estremamente complesse e ad altissime prestazioni. Applicata ad esempio agli scambiatori di calore, permette di realizzare sistemi più leggeri, un aspetto cruciale nelle applicazioni automotive o aeronautiche.
Attualmente le problematiche principali che stiamo riscontrando nello studio di questi sistemi sono legate al fatto che non sappiamo come simulare oggetti geometricamente così complessi. L’obiettivo del mio dottorato è quindi proprio quello di testare nuove metodologie che ci permettano di progettare l’oggetto virtualmente, risparmiando tempo e costi legati al test fisico.
In questo contesto così stimolante, Niccolò, qual è la tua esperienza come ricercatore?
Niccolò Casini: Personalmente, già alla fine dell’università avevo compreso di voler proseguire con la ricerca. Grazie a Lorenzo Tarchi e ai manager dell’azienda ho avuto modo di continuare a fare quello per cui avevo studiato. Con l’opportunità FABER, quello che volevo fare posso farlo in una realtà applicativa di tipo aziendale. L’approccio che c’è all’interno dell’azienda è quello di combinare l’applicazione industriale con la ricerca scientifica (l’azienda è stata in passato anche spin-off dell’Università di Firenze). Occupandomi di simulazioni fluidodinamiche, questo duplice percorso va a dare un valore aggiunto sia alla mia esperienza professionale sia alle dinamiche aziendali già in essere.
Quali saranno le sfide del futuro per il vostro settore?
Lorenzo Mazzei: Le sfide del futuro riguardano la progettazione di nuove soluzioni per problemi altamente sfidanti, come quelli della sostenibilità. Ad esempio, siamo coinvolti in progetti europei dove il Thermal Management è cruciale, specialmente nel settore automotive e aerospace. In ambito automobilistico un sistema di smaltimento del calore troppo pesante riduce l’autonomia del veicolo, mentre su un aeroplano limita significativamente il carico pagante, specialmente nel caso in cui si usi idrogeno come combustibile. Il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità previsti in questi settori ruota tutto intorno alla risoluzione di queste sfide. E se noi non ci teniamo al passo e non riusciamo ad offrire soluzioni, diventiamo rapidamente obsoleti.
Alcuni dei progetti in cui siamo coinvolti nell’ambito aeronautico sono più simili alla ricerca di base, mentre altri (specialmente quelli nell’ambito di Clean Aviation) sono finalizzati a raggiungere il test a terra di tecnologie innovative per la combustione di idrogeno e l’elettrificazione degli aeroplani. Questa accelerazione è spinta anche dai produttori di aeromobili come Airbus, che ad esempio ha annunciato il progetto ZEROe, allo scopo di sviluppare entro il 2035 tre nuovi concept di aeroplani alimentati ad idrogeno. È un contesto estremamente sfidante. Basti pensare che lo sviluppo di nuovi prototipi (e relativi sistemi di propulsione) richiede decenni e investimenti da decine di miliardi di euro: una sfida tecnologicamente enorme, perché quel mondo è basato prima di tutto sulla sicurezza, ma in secondo luogo anche la leggerezza dell’aeromobile, l’efficienza e in definitiva l’economia di funzionamento. L’Unione Europea e i nostri partner industriali sono molto esigenti e come azienda siamo contenti di avere a bordo Niccolò per approfondire queste tematiche anche da un punto di visto più legato alla ricerca.
