I ricercatori del MIT hanno messo a punto un’elica con geometria toroidale, che potrebbe ridurre sensibilmente rumori e migliorare l’efficienza. Una simile innovazione è stata introdotta anche per i motori fuoribordo delle barche
La ricerca su una mobilità più efficiente e sostenibile coinvolge ogni dettaglio dei veicoli, senza dimenticare i sistemi di propulsione. Questo vale anche per velivoli e barche con sistemi ad elica, con una innovazione messa a punto dal Lincoln Laboratory del MIT, centro di eccellenza nella ricerca e sviluppo tecnologico situato a Lexington, in Massachusetts, e dall’azienda Sharrow Marine.
L’elica messa a punto dal Lincoln Lab del MIT
Rispetto ai propulsori tradizionali di forma elicoidale, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato un’elica a toroide ritorto, che promette migliori prestazioni e più silenziosità, tra le altre cose.
Non è un passo avanti da sottovalutare, visto che dal primo prototipo della vite di Archimede (o coclea idraulica, che risolse il problema della gravità rendendo possibile lo spostamento di un fluido dal basso verso l’alto) del 234 a.C. le eliche usate in fluidodinamica per navi (a vite) ed aerei (a pale) hanno conosciuto ben poche innovazioni, o perlomeno nessuna esattamente rivoluzionaria.
L’abbattimento del rumore da parte delle eliche toroidali
Una elica di forma toroidale invece rappresenta una novità anzitutto per il rumore generato. Pensiamo ad esempio ai rotori dei droni, il cui baccano è stato anche frutto di una ricerca del 2017, pubblicata sul sito della NASA, che puntava a comprendere il fastidio per l’orecchio umano generato dal ronzio dei droni (arrivando alla conclusione che i droni producono un rumore circa due volte più fastidioso per le persone rispetto a quello prodotto da una vettura con lo stesso volume).
Thomas Sebastian, membro dello staff senior del gruppo di ingegneria strutturale e dei fluidi termici del Lincoln Lab, ha spiegato: “Le eliche, come sappiamo, sono piuttosto rumorose. […] Ai tempi in cui le persone partorivano idee folli per gli aeroplani nei primi anni del 1900 e durante la seconda guerra mondiale, circolavano un paio di progetti che su ali ad anello [a dire il vero, progetti più o meno simili si erano già visti con le macchine volanti di Leonardo, qualche secolo prima, ndr]. Quindi mi sono chiesto come sarebbe se prendessi un’ala ad anello e trasformassi qualcosa del genere in un’elica“.
Quindi Sebastian ha illustrato: “Abbiamo ideato questo concetto iniziale di utilizzare una forma toroidale, questa forma ad ala anulare, per creare, si spera, un’elica più silenziosa. Uno dei miei stagisti ha seguito poi l’idea. Ha preso il progetto e ha creato una serie di iterazioni utilizzando stampanti 3D“. Di conseguenza, il team, già al lavoro su un altro progetto del Lincoln Lab riguardante un aereo silenzioso a propulsione ionica, è riuscito a creare un dispositivo che riusciva a contenere il rumore nell’intervallo tra 1 e 5 kHz, una frequenza più bassa del rumore generato da un normale drone. Una soluzione più sofisticata rispetto al piazzamento di anelli di compensazione acustica lungo la circonferenza della rotazione dell’elica, che proteggono dai rischi accidentali di ferirsi con esse ma al tempo stesso aumentano la massa che incide sulle prestazioni.
Secondo Sebastian, ciò che rende le eliche più silenziose “era il fatto che i vortici generati dall’elica si distribuissero su tutta la sua forma, invece che solo sulla punta. Il che poi li fa dissipare efficacemente più velocemente nell’atmosfera. Quel vortice non si propaga molto lontano, quindi è meno probabile che una persona lo senta“.
Il miglioramento delle prestazioni in termini di spinta propulsiva
Il dispositivo toroidale ha permesso non solo un abbattimento acustico, ma al tempo stesso ha migliorato le prestazioni di propulsione rispetto alle millenarie eliche standard, dando più spinta. Notevole per una tecnologia appena perfezionata. Inoltre la particolare forma migliora la stabilità strutturale e riduce eventuali rischi per la sicurezza (come tagli inferti) o che il dispositivo si impigli da qualche parte.
Certo, l’altra faccia della medaglia riguarda la complessità di realizzazione di un’elica toroidale rispetto a quella classica, e bisogna vedere come implementare questa innovazione su larga scala. Nel frattempo però il team di ricerca ha già fatto brevettare il design, in attesa di capire le prospettive per la commercializzazione (c’è la volontà del MIT di concedere queste eliche in licenza ai produttori interessati).
Eliche toroidali per le barche: l’innovazione di Sharrow Marine
Non solo velivoli: le eliche toroidali (elitoroidi? Difficile trovare un neologismo o un nome alternativo che non suoni come una parolaccia) possono essere applicate, come abbiamo accennato, anche ai natanti ed imbarcazioni, giacché come scrive New Atlas “aerodinamica ed idrodinamica sono strettamente correlate”.
E così, i propulsori di Sharrow Marine presentano una geometria completamente inedita rispetto alle normali pale, giungendo agli stessi risultati dei ricercatori del MIT: zero vortici di punta con conseguente assenza di perdita di energia, ed abbattimento del rumore di un motore fuoribordo, quasi azzerando il disturbo creato nell’ambiente sottomarino: “riducendo enormemente la quantità di fluido che scorre fuori dai lati di un’elica anziché essere spinta attraverso, le eliche toroidali aspirano più acqua e fanno avanzare ulteriormente la barca”. Inoltre la velocità della barca raddoppia a regimi inferiori e medi, ed il consumo di carburante viene abbattuto di circa il 20%. Ancora, l’imbarcazione non beccheggia sollevando eccessivamente la prua mentre accelera, restando più livellata sulla superficie dell’acqua.
A differenza dell’elica del MIT, questi propulsori per le barche sono già in vendita, ad un prezzo non proprio per tutte le tasche (4999 dollari rispetto ai 500 in media delle normali eliche), ma non bisogna dimenticare i vantaggi, anche in termini economici, di cui abbiamo parlato. L’immagine di copertina presenta una delle soluzioni di Sharrow Marine.
