Grazie agli sviluppi dell’aerodinamica e della tecnologia di nuova generazione, il settore dell’aviazione sta per subire un cambiamento rivoluzionario. Il futuro del trasporto aereo si profila come un panorama di maggiore efficienza, sostenibilità e accessibilità, grazie alla sinergia tra ricercatori, ingegneri e appassionati dell’aviazione, che stanno ridefinendo il concetto stesso di volo.
L’industria dell’aviazione rappresenta uno dei principali attori responsabili del cambiamento climatico e sta affrontando crescenti pressioni volte alla riduzione della propria impronta di carbonio. Pertanto, per perseguire un pianeta più ecologicamente sostenibile, è fondamentale che il futuro del volo sia caratterizzato da un approccio efficiente e sostenibile. Fly Net Zero rappresenta un’iniziativa intrapresa dalle compagnie aeree al fine di raggiungere l’obiettivo delle emissioni nette zero entro il 2050. Per perseguire tali obiettivi ambiziosi, ci troviamo attualmente in una fase in cui è imprescindibile focalizzarsi su tecnologie innovative e progetti di aeromobili rivoluzionari.
Questo articolo delinea il modo in cui l’industria aeronautica sta affrontando queste sfide. Dalle infrastrutture di nuova generazione all’adozione di concetti aerodinamici avanzati, dai carburanti sostenibili per l’aviazione (SAF) agli aerei elettrici, il settore sta lavorando per delineare un futuro per i viaggi aerei che sia al contempo efficiente e sostenibile.
Ali morfologiche e strutture adattive
Le ali degli aeroplani hanno tradizionalmente incontrato difficoltà nell’adattarsi in modo efficiente alle diverse fasi del volo a causa della loro struttura rigida predefinita. Tuttavia, grazie all’evoluzione delle tecnologie, gli ingegneri sono ora capaci di sviluppare progetti di aeromobili ‘morphing’, capaci di modificare la loro forma durante il volo. I concetti di ali morfologiche, ispirati al mondo degli uccelli, portano con sé il potenziale per ottimizzare le prestazioni di volo in diverse fasi, affrontando questioni cruciali quali l’efficienza del carburante, la riduzione delle emissioni e la manovrabilità.
L’osservazione della natura ha costantemente fornito all’umanità ispirazione per soluzioni innovative. Da lungo tempo, gli scienziati sono stati affascinati dalla straordinaria capacità degli uccelli, degli insetti e persino dei pesci di adattarsi agilmente ai loro specifici habitat. L’idea alla base delle ali morfologiche, che imitano la flessibilità delle forme negli esseri viventi, trae origine proprio da questi adattamenti biologici. Gli ingegneri stanno lavorando per creare ali in grado di mutare la loro configurazione in tempo reale, riflettendo il modo in cui gli uccelli adattano la loro forma alare durante le diverse manovre di volo.
Ma come avviene l’adattamento delle strutture degli aeromobili?
Il concetto di “ali morfologiche” comprende una serie di tecniche, ciascuna mirante a offrire un vantaggio aerodinamico specifico. Tra i meccanismi citati vi sono:
- Torsione e flessione – La struttura alare flessibile consente di regolare la curvatura dell’ala, influenzando la portanza e la resistenza durante le diverse fasi del volo. Questa capacità permette di ottenere decolli più morbidi, crociere più efficienti e maggiore stabilità durante l’atterraggio.
- Leghe a memoria di forma (SMA) – Le ali “morphing” basate su SMA utilizzano materiali in grado di adattarsi alle variazioni di temperatura, cambiando la loro forma di conseguenza. Gli ingegneri possono progettare ali con SMA integrate nella struttura alare, che si adattano automaticamente alle mutevoli condizioni di volo, ottimizzando le prestazioni e l’efficienza del carburante.
- Attuatori pneumatici – Gli attuatori pneumatici modificano la forma dell’ala attraverso l’uso della pressione dell’aria, gonfiando o sgonfiando specifiche aree della struttura. Questo metodo fornisce un controllo preciso sulla geometria dell’ala e può essere adattato per soddisfare diverse esigenze di volo.
- Polimeri elettroattivi (EAP) – Gli EAP adattano la loro forma in risposta a stimolazioni elettriche. Integrando gli EAP nelle strutture alari, è possibile apportare modifiche morfologiche in tempo reale all’ala, migliorando la manovrabilità e riducendo la resistenza aerodinamica.
Nel 2023 è stato avviato un progetto di ricerca sulle ali morfologiche presso l’Imperial College di Londra. Lo scopo è individuare l’adattamento ottimale dell’ala di un aeromobile in risposta alle condizioni di volo.
Ingestione dello strato limite (BLI)
Nella progettazione degli aeromobili attuali, la struttura della cellula e il sistema di propulsione sono stati tradizionalmente trattati come elementi separati. Questa concezione ha portato le architetture aeronautiche convenzionali a raggiungere limiti di efficienza propulsiva, con progressi tecnologici che generano rendimenti sempre minori. Il concetto di BLI riguarda la collocazione dei motori più vicino alla fusoliera dell’aereo, permettendo loro di catturare ed elaborare il flusso dello strato limite che si forma sulla superficie dell’aereo. I benefici del BLI includono un miglioramento dell’efficienza della propulsione, una riduzione della resistenza aerodinamica e un’ottimizzazione del consumo di carburante. Presso il Glenn Research Centre della NASA, gli ingegneri stanno attualmente testando questo innovativo sistema di propulsione all’interno di una galleria del vento ad alta velocità. I test possono richiedere anni per essere completati, ma l’organizzazione ha annunciato che proseguirà nella ricerca e nello sviluppo della tecnologia BLI nei prossimi anni.
Fluidodinamica computazionale (CFD)
Sfruttando la considerevole potenza di calcolo dei computer attualmente disponibili, la CFD rappresenta una tecnologia all’avanguardia che simula e visualizza le intricate interazioni dei fluidi, come ad esempio l’aria, mentre si spostano attorno alle superfici degli aeromobili. La CFD ha rivoluzionato il processo di progettazione, l’analisi delle prestazioni e i metodi di test degli aeromobili, fornendo agli ingegneri una comprensione approfondita dell’aerodinamica e dei comportamenti del flusso d’aria. Questa tecnologia è diventata una pietra angolare nell’aerodinamica di ultima generazione.
La Fluidodinamica Computazionale (CFD) si fonda sulla risoluzione di complesse equazioni matematiche che descrivono la fisica del moto dei fluidi. Queste equazioni generano una dettagliata rappresentazione del comportamento dell’aria attorno alle superfici di un aeromobile, considerando variabili come la densità del fluido, la velocità, la pressione e la viscosità.
Mediante l’utilizzo della CFD, gli ingegneri possono esplorare e analizzare diversi scenari in modo visuale, evitando la necessità di creare prototipi fisici elaborati. Le simulazioni CFD offrono una rappresentazione digitale delle interazioni del flusso d’aria, suddividendo queste equazioni in componenti computazionali più piccole. Un esempio di azienda leader nel settore aeronautico che fa largo uso della CFD è Airbus. Questa compagnia sfrutta la CFD per approfondire la comprensione dell’aerodinamica e massimizzare l’efficienza delle proprie aeromobili.
Mobilità aerea urbana ed eVTOL
Un’altra applicazione rilevante è rappresentata dalla mobilità aerea urbana (UAM), che prevede un futuro in cui aeromobili elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL), caratterizzati da un design aerodinamico avanzato, consentiranno il trasporto di passeggeri e merci tra centri urbani, periferie e altre destinazioni urbane. Sfruttando la potenza dell’aerodinamica di nuova generazione, l’UAM ha il potenziale per rivoluzionare il trasporto urbano, offrendo spostamenti più rapidi, riduzione della congestione e un approccio di viaggio più sostenibile. In effetti, l’azienda tedesca Volocopter sta attualmente sperimentando l’utilizzo del suo velivolo, il Volocity, in vista delle Olimpiadi di Parigi del 2024.
Le caratteristiche chiave dell’UAM includono:
- Decollo e atterraggio verticale (VTOL) – I velivoli UAM sono progettati con una configurazione aerodinamica apposita che consente loro di effettuare decolli e atterraggi verticali, eliminando così la necessità di piste di decollo e atterraggio tradizionali. Questa capacità permette loro di utilizzare tetti di edifici, eliporti e addirittura zone di atterraggio specifiche nelle aree urbane, approvate per svolgere le loro operazioni.
- Voli a breve raggio – I voli a breve raggio all’interno delle città e dei sobborghi sono meglio serviti dai velivoli UAM. Rispetto al trasporto su terra, questi voli possono offrire collegamenti più veloci da un punto all’altro, specialmente durante i periodi di traffico intenso.
- Propulsione elettrica – Gli aeromobili per la mobilità urbana avanzata (UAM) spesso fanno uso di tecnologie di propulsione elettrica al fine di abbattere le emissioni, ridurre l’inquinamento acustico e favorire un trasporto urbano più ecologico.
Grazie alla sua propulsione elettrica, l’UAM può contribuire a ridurre la congestione nelle città offrendo un’opzione di trasporto alternativa, abbreviando i tempi di percorrenza attraverso l’evitare del traffico su strada e partecipando agli sforzi globali volti a ridurre le emissioni di carbonio.
Viaggi supersonici
Riducendo in maniera significativa i tempi di volo, i viaggi supersonici e ipersonici rappresentano una svolta epocale nell’aviazione, con il potenziale di trasformare radicalmente i viaggi a lunga distanza e internazionali. Si prevede che queste innovazioni rivoluzioneranno il futuro dei viaggi aerei, aprendo nuove possibilità grazie alla progettazione aerodinamica di nuova generazione.
Viaggiare tra continenti in una giornata?
Il volo supersonico supera la velocità del suono, che a livello del mare si attesta intorno ai 1.235 km/h e varia in base alla temperatura e all’altitudine. Il celebre Concorde, un aereo passeggeri supersonico, ha dato un’anticipazione del futuro dell’aviazione supersonica alla fine del XX secolo. Il Concorde è stato ritirato nel 2003 a causa di molteplici problemi operativi e finanziari. Tuttavia, gli aerei di linea supersonici stanno vivendo un rinnovato interesse e potrebbero tornare in servizio entro il 2029.
La compagnia aerea statunitense Boom Supersonic ha recentemente ordinato 20 aeromobili supersonici che prenderanno il nome di “Overture”. La compagnia aerea, con un apertura alare di 201 piedi, impiega carburante per l’aviazione completamente sostenibile e può raggiungere velocità fino a Mach 1,7 (2.099 km/h) – diventando così l’aereo commerciale più veloce al mondo. A tali velocità, un volo da New York a Londra richiederebbe solamente 3,5 ore.
Conclusione
L’aerodinamica di nuova generazione, che si trova all’incrocio tra innovazione e necessità, possiede il potenziale per ridefinire il nostro concetto e la nostra esperienza del volo. Dalle stupefacenti ali morfologiche al sogno dei viaggi supersonici, l’aerodinamica ci sta guidando verso un futuro caratterizzato da cieli più rapidi, efficienti e interconnessi. Tra la magnificenza di queste sorprendenti innovazioni, le sfide persistono. Per sfruttare appieno il potenziale dell’aerodinamica di nuova generazione, sarà necessario affrontare le complessità legate ai materiali, alle leggi e alle infrastrutture. Ciò garantirà che i cieli del futuro non siano solamente più veloci ed efficienti, ma anche più sicuri e sostenibili.
