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Durante le fasi di progettazione di un sistema altamente tecnologico, come potrebbe essere un dispositivo per la produzione di energia dal vento, potrebbero insorgere difficoltà che non sempre sono di facile risoluzione. La biomimetica ci invita a distogliere lo sguardo dallo schermo del nostro PC e di guardare fuori dalla finestra. La natura ci darà una soluzione.

Il vento è una potente sorgente energetica e, per trarne benefici in termini di produzione elettrica, basterebbe un imponente palo alla cui sommità posizionare una grande elica. L’energia cinetica posseduta dall’aria in movimento viene trasferita ad un generatore di corrente attraverso la rotazione delle pale. Così descritta, l’energia eolica sembra molto semplice e di facile applicabilità. Eppure, quest’antica forma di sfruttamento di energia rinnovabile non ha mai fatto registrare una battuta di arresto in termini di ricerca di innovazione scientifica e ingegneristica.

Da una parte, l’interesse si concentra sull’incremento delle prestazioni e sul miglioramento dell’efficienza; dall’altra, nell’ampliare il campo di utilizzo in zone con ventosità più irregolare e nel diminuire la rumorosità.

Dal punto di vista progettuale, alcune innovazioni sugli impianti eolici, come ad esempio il cambio dell’asse di rotazione dell’elica (da orizzontale a verticale) oppure l’elica orientabile rispetto alla direzione del vento, sono finalizzati proprio ad incrementare la versatilità e l’efficacia di questo modo di produrre energia. Molte soluzioni sono trovate “rovistando” nei cassetti dei brevetti di Madre Natura, sempre foriera di ottime indicazioni. Attraverso lo studio dei processi biomeccanici (biomimetica), sono state acquisite importanti informazioni che hanno interessato soprattutto i materiali utilizzati e l’aerodinamicità delle pale delle eliche, attraverso la progettazione delle forme.

Biomimetica ed eolico, alcuni esempi

Molti risultati ingegneristici sono stati ottenuti nell’ambito del piccolo e medio eolico, nei quali è possibile sperimentare senza ricorrere a grandi investimenti. Alcuni esempi si possono trovare già in commercio, come nel caso della turbina eolica Liam F1 Urban Wind, prodotta dalla società olandese The Archimedes [1]. Grazie alle sue pale a spirale elicoidale, molto simili ad un guscio di conchiglia, sono capaci di generare 1,5 kWh di energia con l’ambizione di essere il sistema più silenzioso sino ad ora prodotto, circa 48dB a regime.

La turbina elicoidale The Archimedes e l’albero eolico della New Wind.

Se ci fosse un concorso a chi maggiormente ha tratto ispirazione dalla natura, probabilmente la New Wind sarebbe tra i candidati finali con il suo Tree Vent [2]. Un albero le cui foglie sono piccole turbine che ruotano adattandosi perfettamente all’irregolarità dello spostamento di aria tipico di tale sistema. 68 foglie-turbine che sono in grado fornire una potenza di 4,1kW.

Per istallazioni di grandi dimensioni, una scelta molto suggestiva nella progettazione delle pale di una turbina è stata fatta dalla WhalePower’s, che, grazie ad uno studio sulla idrodinamicità delle megattere, ha riprodotto le tipiche gibbosità presenti sulle pinne del cetaceo sul profilo delle pale migliorando le prestazioni in condizioni di vento turbolento.

Una realizzazione concettualmente fuori dal normale è alla base del progetto portato avanti dalla Tyer Wind [3], che trae ispirazione dal battito di ali del colibrì. Il movimento delle sue ali disegna in aria la figura di un 8 che permette a questo piccolo uccello di restare fermo in un punto, come sospeso in aria. Lo stesso movimento è stato riprodotto per sfruttare l’energia eolica abbandonando la classica rotazione delle pale ma proponendo un movimento diverso e innovativo. Oltre a mostrare un’efficienza maggiore rispetto al classico rotore, il dispositivo della Tyer Wind riduce di molto le sollecitazioni alla struttura portante, diminuendo, di conseguenza, i costi legati alle opere strutturali necessarie per l’istallazione.

Sistema eolico della Tyer Wind

Non solo forme, ma anche materiali

L’esperienza acquisita nel campo dell’eolico ha mostrato che una turbina ha la sua massima efficienza in un campo ben stabilito e ristretto di velocità del vento. Ogni volta che ci si trova ad operare al di fuori di questo campo si determinano delle pesanti perdite di efficienza. La possibilità di intervenire per allargare il range di applicabilità si tradurrebbe in una diminuzione di tali perdite.

Un approccio molto interessante è stato adottato da una equipe di scienziati francesi, i quali si sono serviti della biomimetica nella progettazione di pale eoliche capaci di adattarsi a diverse condizioni di vento. I ricercatori dell’Università della Sorbonne e della Scuola Nazionale Superiore delle Arti e Mestieri-ParisTech, a Parigi [4], hanno pensato di intervenire direttamente sul materiale con cui è realizzata una pala eolica utilizzandone uno più flessibile, simile ad un’ala di un insetto, e riconfigurando il sistema di trasmissione di rotazione al generatore di corrente. Una struttura più snella e elastica, come quella di un’ala di insetto appunto, è capace di rispondere alla torsione esercitata dalla pressione del fluido, a seguito della flessione causata dall’azione del vento, cambiando il bilanciamento delle forze meccaniche esterne. Proprio come gli insetti, che utilizzano l’elasticità delle loro ali per amplificare la spinta delle forze di pressione senza consumo di ulteriore energia, così le turbine eoliche con pale eoliche flessibili possono incrementare le loro performance. In questi casi, un parametro molto importante risulta essere l’angolo di inclinazione che, in questo progetto, varia dinamicamente con le sollecitazioni del vento, così da poterne sfruttare tutta la sua potenza.

Il prototipo testato in laboratorio, costituente una turbina di tre pale, è stato realizzato utilizzando come materiale flessibile il PET (polietilene tereftalato). Ogni pala era fissata ad una bacchetta rigida, presentando una forma rettangolare e un profilo a spessore costante. Le bacchette, di lunghezza doppia rispetto alla pala, erano fissate ad un rotore. Con questa configurazione, le pale potevano deformarsi secondo la direzione perpendicolare all’attacco del vento (chordwise direction).

Il prototipo francese

Lo studio è stato condotto considerando rigidità delle pale differenti, cambiando lo spessore del materiale flessibile. Durante le prove sperimentali, è stata misurata la velocità di rotazione della turbina in funzione della velocità del vento, l’angolo di impatto del vento e la resistenza alla torsione. I risultati scaturiti dalla ricerca hanno evidenziato un aumento di guadagno energetico di circa il 35% rispetto al dispositivo ugualmente progettato ma con pale rigide. Inoltre, l’auto-adattamento alle condizioni del vento permette di ampliare il range di velocità del vento nel quale l’impianto funziona al massimo di efficienza.

Come mostrato, lo studio delle dinamiche presenti in natura fornisce una quantità enorme di modelli che possono essere riportati nella realizzazione di dispositivi tecnologici. Gli esempi riportati sono solo una parte degli innumerevoli casi in cui scienziati ed ingegneri sono stati ispirati dal mondo animale e vegetale, non solo nel campo delle energie rinnovabili ma in molti altri campi. biomimetica

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti biomimetica

[1] https://www.thearchimedes.com/
[2] http://www.newwind.fr/
[3] http://www.tyerwind.com/
[4] http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/473/2198/20160726

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.