Future
L’aviazione europea ai nastri di partenza
Il lancio dell’ambizioso programma Clean Aviation traccia una nuova rotta, con Avio Aero pronta a coordinare due progetti e a contribuire in alcuni altri puntando su elettrificazione, idrogeno e ultra-efficienza.
Oct 2022
Gli scorsi 6 e 7 ottobre, l’Università di Napoli Federico II insieme alla sua SmartUp Engineering ha tenuto un workshop dedicato al design innovativo per aerei ibrido-elettrici a corto raggio (fino a 20 passeggeri), regionali (tra 40 e 80 passeggeri) fino alle soluzioni tecnologiche per quelli medio-lungo raggio (tipici aerei di linea a corridoio singolo).
L'evento di due giorni, affacciato su un autunnale, placido golfo di Napoli, è stato una preziosa occasione di ritrovo per costruttori di aerei e motori europei a pochi giorni dall’avvio ufficiale di Clean Aviation, il nuovo corso del più grande programma pubblico-privato per la ricerca e sviluppo nell’aviazione.
Lo scopo ultimo era quello di creare un ponte scientifico tra Clean Sky 2 e Clean Aviation. Il nuovo programma di ricerca e innovazione ha infatti intrapreso l’ambiziosa sfida, nell’ambito dell’EU Green Deal, della transizione verso emissioni più basse o pari allo zero, puntando alla dimostrazione e successiva adozione di tali nuove tecnologie a partire dal 2035, così da ottenere i risultati di decarbonizzazione desiderati entro il 2050.
Lo scorso 27 settembre, Clean Aviation ha annunciato i 20 progetti, basati sulle oltre 14 tematiche tecnologiche che rappresentano tale ambizione. Avio Aero ne coordinerà due - nella fattispecie, dedicati a soluzioni propulsive ibrido elettriche per aerei da trasporto regionale e all’utilizzo di idrogeno liquido come alternativa al carburante in aerei a medio raggio – e contribuirà ad altri tre progetti, incluso quello dedicato a maturare le tecnologie dell’innovativa architettura open fan di CFM RISE.
Durante il workshop, Antonello Marino –Project Officer in Clean Aviation ospite nel panel sulle soluzioni ibrido-elettriche - ha ribadito che l’obiettivo è arrivare alla maturazione di tali tecnologie già entro il 2025 per poi passare alla dimostrazione.
“La nostra ambizione è sviluppare e dimostrare, entro il 2030, innovazioni tecnologiche dirompenti attraverso nuove configurazioni di aeromobili”, spiega Antonello Marino, “queste ridurranno le emissioni di gas serra degli aerei di non meno del 50%, rispetto alle più moderne tecnologie. Nella prima fase, fino al 2026, la pianificazione prevede di maturare i diversi ‘mattoncini tecnologici’ (motore ibrido, sistemi di distribuzione elettrica, gestione termica, fusoliera e ali integrate). La dimostrazione in volo dovrebbe avvenire entro il 2030 a bordo di un aereo regionale integrato con tecnologie ibrido elettriche, pronto per l'entrata in servizio dal 2035. Tale velivolo, tra l’altro, presenterà una propulsione ibrida-elettrica alimentata da carburanti SAF drop-in al 100% o da idrogeno”.
Un’agenda che trova riscontro nel recente Report Ambientale dell’Aviazione pubblicato dall’EASA (European Aviaiton Safety Agency). Nel report si prevede che entro il 2050 le novità tecnologiche adottate all’interno del settore potrebbero ridurre le emissioni di CO2 di tutti i voli dagli aeroporti dei paesi EU ed EFTA del 69% portandole a 59 milioni di tonnellate (rispetto ai 147 milioni del 2019). Il contributo maggiore a tale percentuale di riduzione verrebbe dalle nuove tecnologie implementate sui velivoli e dall’uso dei SAF, oltre che da miglioramenti nella gestione del traffico aereo e dall’impiego dell’idrogeno nei motori.
A seguire l’intervento di Marino, continuando il collegamento tra risultati di Clean Sky 2 e il percorso di maturazione tecnologica previsto in Clean Aviation, ha parlato anche Silvia Calabrini, Enhanced Turboprop & Hybrid-Electric Program Manager di Avio Aero, che è partita dall’esperienza Iron. Il progetto di Clean Sky 2 è stato in collaborazione con Leonardo e orientato verso soluzioni turboprop ibrido elettriche per aerei regionali, condotto inoltre col contributo di Dowty Propellers e di GE Deutschland, Aviation Advanced Technologies.
“Da Clean Sky 2 portiamo a casa competenze avanzate, specie per quanto riguarda le tecnologie di sistemi propulsivi con architetture innovative, la gestione della potenza in funzione della missione, il dimensionamento dei componenti motore e la loro integrazione. Grazie ai vari studi di configurazione velivolo-motore eseguiti insieme al velivolista ci siamo indirizzati verso le soluzioni ideali, oltre a individuare anche i partner più idonei per proseguire il lavoro in Clean Aviation: partner industriali ma anche di R&D, dalla nostra rete europea di centri e università.” dice Calabrini.
Soluzioni che introducono una serie di opportunità e di sfide che Calabrini sintetizza così: “flessibilità in termini di missione aerea (quindi una gestione della potenza che si adatta a durata, percorrenze e al tipo di volo stesso) ma anche efficienza nell’alternare motore termico ed elettrico, rappresentano senz’altro opportunità e anche benefici per i costi operativi, per il consumo di carburante. Dall’altra parte, le sfide tecnologiche sono rappresentate dalla necessità di dover gestire alti voltaggi nel caso di propulsione ibrida-elettrica, dall’integrazione dei componenti elettrici e dalla loro messa in sicurezza, e infine dalla gestione dell’elevato calore dissipato. Dovremo sviluppare il sistema di raffreddamento più idoneo: lato sistemi di accumulo, servirà uno sviluppo tecnologico che porti ad un aumento della densità di potenza”.
“Ci aspettiamo che Avio Aero svolga un ruolo cruciale nello sviluppo di un motore ibrido-elettrico, e nello specifico di una soluzione capace di generare diversi mega-watt di potenza”, dice Marino rispondendo alle aspettative nutrite da Clean Aviation in prospettiva. “Avremo certamente modo di valutare con più accuratezza la soluzione proposte prossimamente, non appena i termini contrattuali per le attività proposte saranno definite con l'azienda”.
Ma Clean Aviation guarda al trasporto aereo nel suo complesso, basandosi su tre pilastri tecnologici che, insieme all’ibrido-elettrico, comprendono futuri aerei alimentati a idrogeno e aerei ultra-efficienti a medio raggio. Dai velivoli più piccoli si arriva, ad esempio, agli aerei comunemente usati per viaggiare tra città europee, cosiddetti narrow body, oggi spinti prettamente da motori turbofan ad alta efficienza (come il LEAP, ad esempio).
“Molte delle soluzioni tecnologiche studiate per questo segmento regionale possono essere applicate agli aerei più grandi”, spiega Andrea Milli, Clean Aviation Technical Committee Representative per Avio Aero, che ha parlato durante la seconda giornata del workshop di Napoli. “La discriminante, in tal caso, è rappresentata dalla densità di potenza che motori ibrido-elettrici sono in grado di sviluppare, nello specifico, per un aereo che trasporta ad esempio fino a 200 passeggeri e compie rotte oltre le 1000 miglia nautiche”.
"Insieme ai costruttori di velivoli ci siamo indirizzati verso le soluzioni ideali, oltre a individuare anche i partner più idonei per proseguire il lavoro in Clean Aviation, partner industriali ma anche di R&D"
Dal 2014, Milli ha lavorato all’interno del GE Aviation Advanced Technologies di Monaco di Baviera occupandosi di innovazione per le turbine aeree dei grandi motori jet di GE. All’interno di Clean Sky2, ha guidato il suo team nello sviluppo di più progetti e dimostratori - come, Ultra-High-Propulsive-Efficiency (UHPE), TURN (innovative turbine vane frame design) e ICore (advanced engine core technologies). Durante il workshop, menzionando la transizione verso Clean Aviation, ha sottolineato un aspetto ripetuto da più relatori: “sviluppare e maturare queste tecnologie significa anche poterle combinare all’interno della stessa soluzione propulsiva, questo rappresenta un grande potenziale”.
Molti aerei narrow body vengono impiegati per tratte tipicamente regionali, non vi è una linea di demarcazione troppo netta tra i segmenti e perciò – così come i carburanti alternativi sono compatibili con motori ibrido-elettrici sostituendo il carburante tradizionale - anche l’utilizzo di ibrido-elettrico e alimentazione a idrogeno può essere combinato in applicazioni per aerei a medio raggio.
“L’idrogeno ha un alto potere termico per unità di massa, ma è basso per unità di volume, per questo abbiamo puntato sull’idrogeno liquido. Cosa che comporta una grande complessità: per alimentare un motore aereo con l’idrogeno dovremo passarlo dallo stato liquido a quello gassoso perché non si immette liquido come il carburante tradizionale”, continua Milli.
"L’idrogeno ha un alto potere termico per unità di massa, ma è basso per unità di volume, per questo abbiamo puntato sull’idrogeno liquido, cosa che comporta una grande complessità: "
La grande sfida del volo a idrogeno passa dallo sviluppo di un sistema termico altamente avanzato, in grado di passare dall’idrogeno liquido immagazzinato a temperature intorno a meno 250° a un gas da miscelare nell’area di combustione. “Questa complessità però può aprire anche a un’ulteriore opportunità”, spiega Milli, “ovvero quella di abbinare un motore ibrido-elettrico. Quest’ultimo ha necessità di dissipare calore, mentre l’idrogeno liquido ha bisogno di quel calore per trasformarsi in gas. Un design intelligente del sistema termico potrebbe offrire una soluzione combinata, altamente efficiente, a emissioni zero”.
Avio Aero è pronta per le nuove missioni, potendo contare sul suo consolidato network europeo di R&D e sui risultati importanti collezionati nelle due passate edizioni di Clean Sky, di cui è membro dal 2008. Oggi, in Clean Aviation coordinerà consorzi partecipati da più attori che si dedicheranno a due di quelle tecnologie che formano i pilastri del nuovo programma patrocinato dall’Unione Europea, e poi dovrà dimostrarle in volo per aprire a una nuova era sostenibile dell’aviazione.
“Tutte queste nuove tecnologie avranno un profondo impatto non solo sul design dei velivoli e sui loro motori, ma dovranno necessariamente trasformarsi anche le infrastrutture aeroportuali e, più in generale, l'intero ecosistema aeronautico, con regole e politiche ad-hoc che riguardano anche la produzione di energia. Dovremo preparare tale ecosistema per l'entrata in servizio della prossima generazione di aerei a idrogeno o elettrici, e ciò richiede cooperazione tra settori e istituzioni: per questo, Clean Aviation ha aderito all'Alliance for Zero-Emission Aviation (AZEA)” aggiunge in conclusione Marino.
Ad AZEA si è unita di recente anche Avio Aero: si tratta di un'iniziativa pubblico-privato dell'UE che identificherà e darà priorità alle sfide poste dall'entrata in servizio di aerei a emissioni zero e proporrà soluzioni pratiche per superarle. L’ambizione di AZEA è quella di supportare l’Europa nell’impresa di diventare il primo continente “climate neutral” entro il 2050.
Ambizione condivisa da Avio Aero che grazie al rinnovato, e rinforzato, assetto europeo può guardare a queste sfide epocali forte delle sue collaborazioni, del solido teamwork con i colleghi europei di GE e persino con un motore turboelica made-in-Europe nuovo di zecca: secondo gli ingegneri, il Catalyst, con la capacità di generare oltre un megawatt e le tecnologie avanzate che lo hanno distinto sul mercato, presenterebbe un’architettura ideale tramite la quale dimostrare l’efficacia di soluzioni ibrido-elettriche per gli aerei turboelica del prossimo futuro.
cover illustration by Margherita Fruscoloni Morello.
