Maersk Triple E
La Maersk Triple E, una delle più grandi navi cargo del mondo, è lunga 400 metri, alta 73 metri e un peso di oltre 165.000 tonnellate.
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Chi ha detto che l’era dei veloci e potenti velieri che solcavano mari e oceani è finita? La famosissima azienda di shipping Maersk, leader nel settore dei trasporti, sta attualmente considerando di utilizzare delle vele a rotore per complementare la propulsione delle sue navi cargo con enormi vantaggi sia in termini economici che ambientali; vediamo in dettaglio come funzionano.

Il ritorno dei velieri commerciali

La logistica e il trasporto di beni materiali rappresentano l’essenza vitale dell’economia moderna; il produrre beni è inutile se quest’ultimi non sono localizzati dove la domanda si concentra! Più del 90% del commercio e trasporto internazionale è focalizzato su mare, in quanto, ancora oggi, rappresenta il mezzo più economico ed efficiente per trasportare enormi quantità di beni e materie prime su lunghissime distanze. È facile, quindi, immaginare come aziende quali la danese Maersk, leader mondiale nel settore del trasporto su nave, focalizzi molti dei suoi sforzi nel cercare di ottimizzare la propulsione delle sue navi. L’ultima idea partorita dall’azienda scandinava, in collaborazione con l’azienda finlandese Norsepower, è quella di installare vele a rotore sulle proprie navi cargo in parallelo alla propulsione classica, risparmiando combustibile e diminuendo sensibilmente le emissioni di anidride carbonica. Queste vele utilizzano l’effetto Magnus per generare propulsione, ma come funzionano?

Maersk P-Class Illustration with two 30×5 Norsepower Rotor Sails

Effetto Magnus

L’effetto Magnus prende il nome dal fisico tedesco Gustav Magnus, che per primo lo descrisse in un suo articolo nel 1852, ed è un caso particolare della legge di Bernoulli applicata a dei corpi rotanti immersi in un fluido. La legge di Bernoulli, che è a sua volta un’estensione della legge di conservazione dell’energia applicata ai fluidi, afferma che l’energia totale di una sezione di fluido si ripartisce sotto forma di energia di pressione, cinetica e potenziale gravitazionale. Quest’energia, a meno di perdite per dissipazione, deve rimanere costante se il fluido non produce lavoro, e può solamente variare la propria ripartizione tra le varie forme accennate prima. Conseguenza di ciò è che un fluido che rimane alla stessa quota, diminuisce la propria pressione all’aumentare della propria velocità e viceversa (a velocità subsoniche). È il principio di funzionamento degli ugelli convergenti e divergenti!

Curveball
L’effetto Magnus è alla base delle temutissime palle curve nel baseball!

In molti sport, come il calcio, il golf e il baseball, riuscire a dare un effetto alla palla è importantissimo, ma non molti sanno che l’effetto Magnus è il vero responsabile di questo fenomeno. Immaginiamo una sfera immersa in un qualsiasi fluido, che si muove relativamente al fluido in una certa direzione e, al contempo, ruota rispetto a un suo asse; è possibile visualizzare il fluido in moto relativo tramite delle linee di flusso, cioè linee immaginarie che in ogni punto sono parallele alla velocità del fluido stesso in quella stessa posizione spaziale. Una caratteristica fondamentale di queste linee di flusso è che tendono ad addensarsi nei punti in cui la velocità aumenta. Come vediamo nell’immagine sottostante, le linee di flusso tendono ad addensarsi in una certa zona della sfera rispetto al verso di rotazione, indicando che in quella zona la velocità del flusso relativa al corpo è maggiore rispetto alla zona diametralmente opposta. Il principio fisico è che il flusso ha un certo attrito rispetto alla superficie del corpo, e la sfera, ruotando, tende a trasferire una parte della sua energia cinetica al fluido stesso, accelerandolo nella direzione del suo verso di rotazione. Per il teorema di Bernoulli, una maggiore velocità è legata una minore pressione (ri-sottolineando, in regime subsonico) e quindi si crea uno squilibrio tra le pressioni nelle due diverse zone della sfera. Questo squilibrio di pressioni genera una forza perpendicolare all’asse di rotazione e alla direzione di spostamento del flusso stesso.

Effetto Magnus schema
La differente velocità del fluido nel corpo rotante genera una differenza di pressione e, quindi, una forza perpendicolare al flusso del fluido.

In realtà questo fenomeno fisico non è esotico, poiché si tratta di una vera e propria portanza! Infatti, negli aerei, questo squilibrio di velocità nelle diverse zone dell’ala è generato dalla forma dell’ala stessa, generando una differenza di pressione che sostiene l’aereo in volo.

Un’idea non proprio nuovissima

L’applicazione dell’effetto Magnus alla propulsione navale e aerea non è un’idea nuovissima: fu ideata e realizzata agli inizi del ‘900 dall’ingegnere tedesco Anton Flettner, il quale costruì due navi equipaggiate con vele a rotore; una di queste riuscì addirittura ad attraversare l’Oceano Atlantico fino a New York, nel 1926. Sfortunatamente, questa tecnologia, ancora agli albori, era troppo inefficiente, costosa, pesante e ingombrante per competere con la propulsione diesel e venne pertanto temporaneamente abbandonata.

La prima nave equipaggiata con vele a rotore

Ma Flettner non si limitò solla alla nautica, provò anche a progettare un aereo capace di generare portanza utilizzando lo stesso principio. Il prototipo fu realizzato e testato nel 1910 su una nave da guerra, ma non esiste documentazione che provi che abbia mai volato. Però, nel 1930, tre anonimi inventori americani realizzarono il Plymouth A-A-2004 che venne testato con successo a Long Island South. Purtroppo l’idea venne presto abbandonata, maggiormente per preoccupazioni di carattere di sicurezza: i rotori generano portanza solamente se ruotano e sono incapaci di sostenere un aereo, come possono fare le normali ali.

Plymouth A-A-2004
Il Plymouth A-A-2004, unico aereo a rotore ad aver mai volato.

Il rinascimento delle vele a rotore

L’avvento di nuove tecnologie e materiali, e la stringente necessità di rendere il settore dei trasporti più efficiente e green, hanno permesso di riportare in auge questa tecnologia. Nel 2008, l’azienda di energia eolica Enercon varò una nuova nave equipaggiata con vele a rotore. Nel 2014, Norsepower installò con successo le prime vele a rotore su una nave cargo appartente all’azienda Bore.

Ora, la Maersk ha intenzione di installare due versioni moderne delle vele a rotore ideate da Flettern sul suo tanker di 240 metri di lunghezza. Queste vele saranno composte di materiali ultramoderni compositi, resistenti e leggeri, e saranno alte 30 metri e 5 di diametro. In condizioni di vento favorevole, ogni vela sarà in grado di generare una propulsione di 3MW a fronte di un consumo di 50kW elettrici per mettere in rotazione i cilindri, riducendo il consumo di combustibile dal 7% al 10%, con un risparmio annuo di oltre 1000 tonnellate di carburante. Il costo di installazione si aggirerà attorno al milione e mezzo di sterline (1.800.000 euro), circa il 5.5% del costo di un tanker tradizionale, ma nettamente inferiore per delle navi di nuova generazione.

Enercon E-Ship 1, nave a vele a rotore
Enercon E-Ship 1

Il futuro verde dello shipping

Le vele a rotore sono una brillante idea per rendere i trasporti navali più efficienti e puliti, ma non è l’unica. Nuove tecnologie basate su automazione, intelligenza artificiale, big data, smart ships e robotica si stanno facendo largo velocemente in questo settore, col potenziale di diventare degli standard in brevissimo tempo. La Maersk sta attualmente testando droni per il rifornimento delle proprie navi, nuove vernici che impediscono la formazione di alghe sullo scafo (che ne riducono l’idrodinamicità), vele alimentate a energia solare, batterie di nuova generazione e addirittura enormi aquiloni capaci di trainare le navi stesse.

Questa corsa al finanziare anche le idee più improbabili deriva dalle nuove regolamentazioni antinquinamento che entreranno in vigore alla fine del decennio. Infatti, dal 2020, le aziende di shipping saranno obbligate a ridurre il contenuto di zolfo nei propri combustibili con aumento sostanziale dei costi; ed ecco che la vecchia e affidabile vela ritorna a essere allettante!

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti
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