[INTERVISTA] Prof. Beni Cukurel: motori a reazione stampati in 3D, una rivoluzione delle micro turbine a gas e il futuro dell'energia

Facendo un enorme passo avanti verso il futuro della produzione di energia e della propulsione, un team guidato dal professore associato Beni Cukurel del Technion – Israel Institute of Technology, ha progettato una micro turbina a gas utilizzando la produzione additiva (AM), nota anche come stampa 3D. Questo sviluppo rivoluzionario presenta un approccio ingegnoso al principio della "progettazione per la produzione additiva", sfidando in modo significativo i paradigmi di produzione convenzionali.

A differenza delle tecniche di produzione convenzionali, il team di Cukurel e il laboratorio Turbomachinery and Heat Transfer hanno sfruttato il potenziale dell’AM nella sua forma più pura. Nelle sue parole: "Quando si utilizza [AM] come un'altra tecnica di produzione, non si sfruttano appieno i vantaggi della produzione additiva". Invece di integrare semplicemente l’AM come strumento alternativo, il team lo ha reimmaginato come una risorsa fondamentale, creando progetti a priori per soddisfare i vincoli e sfruttare i vantaggi dell’AM.

Al centro della loro ricerca ci sono le microturbine a gas, progettate per la generazione di energia proporzionata. Cukurel definisce le microturbine a gas come sistemi in grado di generare elettricità al di sotto dei 300 kilowatt e una spinta inferiore ai due kilonewton. Adottando l’approccio AM, il team ha avviato il suo primo progetto, una micro turbina a gas su scala 5 cm che potrebbe potenzialmente fornire 300 watt per un drone. La microturbina offre un aumento significativo del tempo di volo grazie alla sua maggiore densità di energia rispetto alle batterie convenzionali.

Il team non si è fermato alla microturbina a gas; hanno ulteriormente sfruttato le loro conoscenze AM durante la crisi COVID-19. Hanno innovato un design di turbomacchine preassemblate e autosupportate per ventilatori medici. “Abbiamo trasferito questo know-how che abbiamo sviluppato in architetture di turbomacchine preassemblate e autoportanti alle turbine a gas”, ha affermato Cukurel.

La svolta offerta da queste microturbine a gas preassemblate e autoportanti dipende dalla loro disponibilità su richiesta e dal rapporto costo-efficacia. Il costo primario è limitato al tempo macchina e al consumo energetico, riducendo notevolmente le spese di produzione.

Cukurel ha riconosciuto che un lavoro così innovativo è stato possibile solo grazie a una fruttuosa collaborazione con l’Istituto von Karman per la dinamica dei fluidi, l’Università Katip Celebi di Izmir e PTC. Il progetto finanziato dalla NATO ha visto ciascuna parte portare sul tavolo le proprie competenze uniche. Il Von Karman Institute ha fornito simulazioni ad alta fedeltà per l'aerodinamica e la combustione, l'Università Katip Celebi di Izmir ha prestato le sue competenze di fluidodinamica computazionale per valutare la capacità di carico dei cuscinetti idrostatici e PTC ha offerto la sua vasta conoscenza delle tecnologie AM, in particolare attraverso il suo potente CAD framework di progettazione e simulazione, Creo.

Ottimizzazione delle prestazioni con la produzione additiva

Affrontando i vincoli della progettazione per la produzione additiva, Cukurel spiega che hanno iniziato sviluppando un modello di ordine ridotto. In termini semplici, si tratta di un modello ottimizzato che mantiene gli aspetti cruciali del sistema originale, ma lo semplifica per facilitarne l'analisi e l'utilizzo.

Nella progettazione di un motore a reazione, tradizionalmente, l’aerodinamica è al centro dell’attenzione. L'obiettivo è raggiungere le massime prestazioni in termini di termodinamica, che si traducono nel rapporto spinta-peso e nel consumo specifico di carburante, o in altre parole, in potenza e densità di energia. Tuttavia, questo approccio vacilla quando si tratta di motori miniaturizzati.

“Quello che abbiamo creato sono modelli di ordine ridotto che catturano tutte le discipline presenti nel motore. Questi includono, tra gli altri, l’aerodinamica, il trasferimento di calore, la dinamica del rotore e la combustione”, spiega Cukurel. Consideralo come condensare una sinfonia in un'esibizione solista: devi mantenere l'essenza del pezzo adattando allo stesso tempo le capacità dell'esecutore solitario.

Continua a descrivere in dettaglio come hanno creato un ambiente di ottimizzazione multidisciplinare che conosce a priori tutti i vincoli della produzione additiva. Ciò significa sostanzialmente che hanno progettato un sistema che, fin dall'inizio, comprende i limiti di ciò che può creare. È come un architetto esperto che sa di non progettare un tetto con angoli troppo ripidi per essere supportato dai materiali da costruzione.