Il futuro del volo

Aviation

GE Aviation e Safran, attraverso CFM International, svelano il nuovo programma di sviluppo tecnologico volto a ridurre del 20% le emissioni di CO₂

Jun 2021

Travis Harper ha vissuto tutta la vita circondato da aerei. Cresciuto a due isolati dall'aeroporto di Midway, a sud di Chicago, ogni otto minuti vedeva passare proprio sopra la sua casa un jet alimentato dai nostri motori CFM56 in fase di atterraggio. “L’aviazione mi ha affascinato per tutta l’infanzia. Guardavo gli aerei decollare e atterrare, e immaginavo di avere l'opportunità di viaggiare e conoscere il mondo", dice.

E proprio questo ha contribuito a segnare il corso della vita di Harper. Laureatosi in ingegneria alla Northwestern University e alla Ohio State, ottenne un posto all’interno di un team di GE Aviation incaricato di progettare e produrre i motori a reazione commerciali più avanzati al mondo. L’amore per il volo lo ha portato anche a Dubai, dove ha supportato Emirates Airline per la sua flotta di aerei alimentati dai motori GE90 e GP7200, e poi a Seattle, per sostenere gli sforzi di Boeing nella messa in servizio del velivolo 777X, alimentato dal nostro motore GE9X.

Oggi, quello stesso amore lo ha condotto verso l'ultimo capitolo della sua carriera: un ruolo di leadership in un team che sta reinventando il futuro del volo. Harper e i suoi colleghi stanno infatti testando una tecnologia intesa alla produzione finale di un motore in grado di utilizzare il 20% in meno di carburante e produrre il 20% in meno di emissioni di CO₂ rispetto ai più efficienti motori a reazione di oggi.

Harper è il product manager di GE nell’ambito del programma CFM RISE, annunciato lunedì dalle società madri di CFM, GE e Safran Aircraft Engines. L’audace visione del programma RISE è resa perfettamente dal suo nome: Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (Innovazione rivoluzionaria per motori sostenibili). "Questo programma di sviluppo tecnologico mostra l’impegno condiviso da GE e Safran per il raggiungimento di obiettivi ambiziosi destinati a un futuro più sostenibile", dice Harper.

Travis Harper GE product manager of CFM RISE

CFM è stata fondata quasi 50 anni fa e i suoi partner hanno appena concordato di prolungare la joint venture fino al 2050. L'azienda ha consegnato più di 35.000 motori a più di 600 operatori in tutto il mondo. Questa flotta ha registrato più di 1 miliardo di ore di volo, l'equivalente di 20 viaggi andata e ritorno verso Plutone. "È la joint venture transatlantica di maggior successo al mondo, almeno nell'aviazione", dice Harper.

Harper e i suoi colleghi hanno un compito enorme da affrontare. Da quando, all’inizio degli anni ‘80, sono entrati in servizio i primi motori CFM, l'azienda ha ridotto il loro consumo di carburante e le emissioni di CO₂ del 40% rispetto ai motori che sono andati a sostituire. Harper, insieme a un team dei migliori ingegneri al mondo, intende ridurre quei numeri di un altro 20%, il che rappresenterebbe il più alto livello di decarbonizzazione mai raggiunto. La loro visione ambiziosa dipende dai maggiori progressi nell'architettura e nella tecnologia dei motori.

Ma il team è all'altezza. "Passo molto tempo con Safran, con i costruttori di aerei e con le aerolinee. Lavoriamo insieme per definire la nostra visione, stabilire i requisiti dei nostri prodotti futuri e mettere in pratica i nostri sforzi per sviluppare un motore che riesca a supportare al meglio il futuro del volo così come lo vediamo noi", dice Harper. “L’ambito che crediamo possa produrre i vantaggi maggiori, come abbiamo intenzione di dimostrare nei prossimi anni, è il concetto dell’open fan, che fornirebbe un miglioramento davvero significativo nel consumo di carburante e nelle emissioni di CO₂."

La ventola (fan) del motore, nella parte anteriore di questa architettura, è "aperta" perché, a differenza di altri motori turbofan, non è circondata dalla nacelle (il tipico involucro di lamiera che si vede dall’esterno). Il vantaggio di questa ventola aperta è il miglioramento significativo che essa produce nell'efficienza propulsiva, un fattore chiave per la riduzione delle emissioni e il consumo di carburante. "Le nostre soluzioni più sostenibili, ovvero quelle che forniscono i vantaggi maggiori, richiedono un'architettura open fan, per una questione di fisica", dice Harper. “Anche se altre possibili architetture sono al vaglio, non riescono a offrire lo stesso livello di miglioramento nel consumo di carburante e nelle emissioni di CO₂ che potremmo ottenere con una ventola aperta”.

The CFM RISE program includes an open fan architecture.

L’open fan è anche la caratteristica più strabiliante. Il team prevede di realizzarla con una speciale fibra di carbonio tessuta in tre dimensioni e iniettata mediante resina. Leggero e resistente, il materiale permette agli ingegneri di fare le cose in grande e costruire rotori con un diametro di 13 piedi, che, a sua volta, aumenta il rapporto di bypass e l'efficienza propulsiva.

Ricordiamoci questo termine. Il rapporto di bypass è un valore estremamente importante, perché descrive la relazione esistente tra la spinta che il rotore o fan (ventola) genera e l’energia necessaria per l’azionamento del rotore stesso. I motori CFM sono passati da un rapporto di bypass iniziale di 5:1, negli anni ‘80, al motore LEAP, il cui rapporto di bypass è di 11:1. Una ventola aperta sarebbe in grado di raggiungere un rapporto di bypass superiore a 70:1. “Acceleriamo in misura minore l'aria che gira intorno al motore, ma otteniamo un grande beneficio, visto che la quantità di aria è estremamente maggiore", dice Harper.

È interessante notare che l’open fan di nuova generazione si rifà a un altro rotore aperto che GE, con il supporto di Safran, sviluppò negli anni ‘80 insieme alla NASA. Chiamato GE36, quel motore sperimentale sfoggiò anche pale della ventola in materiale composito e alimentò persino un aereo che volò al Farnborough Airshow del 1988.

Il GE36 raggiunse un significativo risparmio di carburante, ma i prezzi di quest’ultimo scesero drasticamente dopo gli shock petroliferi del decennio precedente. Tuttavia, le tecnologie pionieristiche del motore hanno contribuito a tracciare il corso dell'aviazione dei decenni a venire. Le sue pale in fibra di carbonio hanno dato vita a una linea di motori GE Aviation a reazione con alto bypass, che a sua volta ha aiutato i produttori di aerei a costruire efficienti jet a lungo raggio come il Boeing 777 e il Boeing 787 Dreamliner, che potrebbero usare solo due motori piuttosto che quattro. Il motore GE90 per il Boeing 777 è stato il motore a reazione più potente al mondo dal 1995 fino all’anno scorso, quando è stato spodestato dal GE9X. “Negli anni ‘80 la gente sapeva che il rotore aperto era un'idea molto efficace", dice Harper, "ma allora le nostre capacità non erano ancora così avanzate da riuscire a ottimizzare l'aerodinamica e l'acustica. Ricordiamoci che a quel tempo il team che lavorava su quel motore probabilmente aveva a disposizione un solo computer mainframe in tutto l’edificio”.

Possible aircraft integrations with the CFM RISE.

Harper dice che sia GE che Safran hanno fatto "progressi incredibili con gli strumenti analitici e di calcolo, ancorati dai risultati dei test dalle gallerie del vento alle prove complete del motore”. In effetti, Safran ha testato il suo design a rotore aperto nel 2018. Ma costruire un fan più grande non è l'unico modo per rendere un motore più efficiente. Un altro approccio consiste nel migliorare il nucleo del motore che contiene il compressore, il combustore, la turbina e altri componenti che convertono l'energia del carburante in energia cinetica efficiente.

Il team RISE lo sta facendo utilizzando un altro materiale rivoluzionario già testato nei motori LEAP e GE9X. Questo materiale, chiamato composito a matrice ceramica (o CMC), è un terzo del peso dell'acciaio ma può resistere a temperature fino a 2.400 gradi Fahrenheit, oltre il punto di fusione di molte superleghe metalliche avanzate. Quest’aumento della temperatura migliora l'efficienza termica di un motore. "Ci sono voluti 30 anni per sviluppare questa tecnologia alla GE Research, i nostri laboratori aziendali, e l'abbiamo sperimentata nel motore LEAP", dice Ted Ingling, l'ingegnere di GE Aviation ormai in pensione che ha guidato lo sviluppo del GE9X e che è stato il capo di Harper nell’ambito del programma. "Il motore LEAP è il motore più venduto nella storia di CFM, con circa 4.500 esemplari consegnati negli ultimi cinque anni. Grazie a quel programma, ora sappiamo come produrre in massa i componenti utilizzando questo materiale e come progettarne di nuovi sfruttandone le proprietà”. Il dimostratore RISE comprenderà anche componenti stampati in 3D, sistemi ibridi-elettrici, circuiti avanzati di trasferimento del calore e altre tecnologie innovative.

"Quando guardavo gli aerei decollare e atterrare, non avrei mai sognato che un giorno sarei stato a capo di un progetto per sviluppare tecnologie che renderanno il volo ancora più sostenibile e disponibile per le generazioni a venire"

Ma il team RISE sta anche facendo in modo che i produttori e gli operatori di aerei possano trarre pieno vantaggio dalla tecnologia avanzata. "Lavorando insieme ai costruttori, abbiamo l'opportunità di realizzare il motore migliore per l’aereo migliore, e viceversa, ottimizzando l'installazione e le prestazioni del motore sull'aereo. Inoltre trascorro molto tempo con le aerolinee e i locatori, cercando di capire le loro strategie per il rinnovamento delle proprie flotte e per una loro maggiore sostenibilità, nonché come i nostri prodotti futuri possano rispondere alle loro esigenze sia nell'immediato che dopo il 2050. Le partnership che abbiamo con questi clienti per assicurarci che i nostri progetti siano allineati ai loro (ovvero la costruzione, da parte nostra, dei prodotti che desiderano) sono davvero importanti”.

Ad Harper sembra sia trascorso un secolo dal suo primo viaggio in aereo, fatto insieme alla sua famiglia, per andare dalla fredda Chicago alla soleggiata Florida. “È tutta la vita che studio il funzionamento dell'industria dell'aviazione e come i vari pezzi si incastrano", dice. "Ho sempre voluto imparare il più possibile nel più breve tempo possibile, e mi sono circondato di persone da cui potevo imparare di più. Da bambino, quando guardavo gli aerei decollare e atterrare, non avrei mai sognato che un giorno sarei stato a capo di un progetto per sviluppare tecnologie che renderanno il volo ancora più sostenibile e disponibile per le generazioni a venire”.

Reinventare il futuro del volo gli darà di certo questa opportunità.