Volo a idrogenoIl tempo è ormai maturo per gli aerei a idrogeno?

Nelle paludi della Florida del 1950, un forte ruggito disturbava di tanto in tanto la serenità degli alligatori locali. In condizioni di massima segretezza, gli ingegneri della Pratt & Whitney, una società aerospaziale, stavano testando un nuovo tipo di motore alimentato da una strana sostanza apparentemente convogliata da una fabbrica di fertilizzanti nella vicina città di Apix. In realtà, la città era solo un nome su una mappa e l’impianto di fertilizzanti era uno stratagemma per ingannare i russi. I disordini erano il risultato del Progetto Suntan, un tentativo dell’aviazione americana di costruire un aereo alimentato a idrogeno. Ha quasi funzionato. I motori funzionavano con successo, ma lo stoccaggio e la fornitura dell’idrogeno si rivelarono troppo costosi per continuare la produzione.

Suntan fu solo il primo di una serie di tentativi falliti di usare l’idrogeno per alimentare il volo pesante-aria. Il fascino è grande. L’idrogeno contiene tre volte più energia per chilogrammo del cherosene, l’attuale carburante standard per l’aviazione, e la leggerezza è un premio in alto. Tupolev, in quella che allora era l’Unione Sovietica, ha provato negli anni ’80. Boeing ci ha provato negli anni 2000. Un piccolo dimostratore ha volato in Germania. Ma niente è, per così dire, veramente decollato. L’idrogeno, anche se leggero, è ingombrante, il che lo rende scomodo da conservare a bordo. Deve essere pressurizzato o liquefatto, il che comporta delle complicazioni. Inoltre, non c’è un’infrastruttura stabilita per produrlo e distribuirlo.

Questa volta è diverso

Ora, però, le cose sono cambiate. L’aviazione è sotto pressione per ridurre le emissioni di biossido di carbonio bruciando meno cherosene. E si sta parlando di costruire infrastrutture per la produzione e la consegna dell’idrogeno per altri scopi, come il riscaldamento e il trasporto terrestre, il che significa che l’idrogeno potrebbe diventare disponibile come una merce, piuttosto che dover essere prodotto appositamente. L’equilibrio del vantaggio potrebbe quindi spostarsi. Così alcune anime coraggiose stanno guardando ancora una volta l’idea del volo alimentato a idrogeno.

Il progetto Suntan ha usato il materiale nel modo in cui si usa il kerosene – per creare il calore necessario per alimentare un motore a reazione. Questo è un modo di procedere. Ma molti aerei sono guidati da eliche, e questo permette un secondo approccio, perché le eliche possono essere fatte girare da motori elettrici. Usando le celle a combustibile, una tecnologia del XIX secolo che si sta facendo strada, è possibile generare l’elettricità necessaria per farlo con l’idrogeno.

Questa è la strada intrapresa da ZeroAvia, una società con sede a Cranfield, nel sud della Gran Bretagna. A settembre gli ingegneri di ZeroAvia hanno presentato un aereo a sei posti alimentato da celle a combustibile che potrebbe decollare, completare due circuiti dell’aeroporto e atterrare. L’aereo in questione è un Piper M-class modificato, un aereo a una sola elica che è normalmente guidato da un motore a pistoni. Gli ingegneri hanno sostituito questo con un motore elettrico, e hanno installato una banca di celle a combustibile per alimentare quel motore e una serie di serbatoi per contenere l’idrogeno che fa funzionare le celle a combustibile.

Val Miftakhov, il capo di ZeroAvia, spera di vedere questo dimostratore fare un viaggio di 400 km, provvisoriamente previsto per la settimana del 21 dicembre, seguito da un volo più lungo da Orkney, un arcipelago al largo della punta nord della Gran Bretagna, la prossima primavera. (Le autorità di Orkney sono interessate ad aerei “hopper” che possano collegare le isole dell’arcipelago). L’azienda prevede anche di avere un dimostratore da 20 posti pronto nel 2021. La certificazione per l’uso commerciale potrebbe seguire nel 2023.

Sulla scia di ZeroAvia è H2Fly, uno spin-off del DLR, il centro di ricerca aeronautica tedesco. Nel 2016 questa azienda ha aggiunto celle a combustibile a un aliante motorizzato Pipistrel, che poi è rimasto in volo per 15 minuti. Il piano è di estendere questo approccio ad un aereo ad elica in versione di produzione in test che saranno condotti prossimamente. Nel frattempo, in America, un produttore di motori elettrici chiamato magniX ha annunciato una partnership con Universal Hydrogen, una ditta di Los Angeles, per convertire un de Havilland Canada Dash 8-300 da 40 posti per funzionare con celle a combustibile. Questo, sperano, sarà pronto entro il 2025.

Tali approcci sembrano funzionare in linea di principio. Dovranno, però, competere in pratica con gli aerei elettrici alimentati da batterie. In maggio, una ditta americana chiamata AeroTEC ha fatto volare un Cessna Caravan a nove posti convertito all’alimentazione a batteria nei cieli sopra lo stato di Washington. Il dicembre precedente, magniX ha collaborato con Harbour Air, una società canadese, per far volare un idrovolante de Havilland convertito nella British Columbia. Le due aziende sono ora impegnate a preparare questo aereo per la certificazione commerciale. Più ambiziosamente, diverse aziende, come Eviation, un’azienda israeliana, stanno tentando di costruire aerei a batteria da zero piuttosto che convertire le strutture esistenti.

Batterie non incluse

I sostenitori delle celle a combustibile dicono, però, che queste sono meglio delle batterie per alimentare il volo perché le celle più il loro carburante associato immagazzinano molte volte più energia per chilogrammo che le batterie possono gestire. “Le batterie ti danno davvero l’accelerazione. Ma non ti daranno l’autonomia”, dice Robert Steinberger-Wilckens, un ingegnere chimico dell’Università di Birmingham, in Gran Bretagna. La tecnologia delle batterie sta migliorando, ma saranno necessari grandi progressi prima che i viaggi più lunghi con passeggeri e merci a bordo diventino possibili.

Inserire fonti di energia elettrica in un aereo esistente, sotto forma di batterie o celle a combustibile, è un inizio. Ma tale propulsione potrebbe portare a riprogettazioni significative, come quella che Eviation sta progettando per il suo prodotto putativo, Alice. Questo ha tre eliche, tutte rivolte all’indietro. Anche se una volta erano popolari, le eliche rivolte all’indietro sono passate di moda da decenni. I velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale – droni per il trasporto di persone a volte propagandati come il futuro del trasporto personale – sono anche spesso alimentati da più motori elettrici più piccoli, il che li rende un buon abbinamento con l’alimentazione a idrogeno basata sulle celle a combustibile.

Le macchine più grandi hanno problemi più grandi. Un aereo richiede molta più potenza per decollare e atterrare che per navigare, e né le batterie né le celle a combustibile hanno ancora l’energia necessaria per fare questo per aerei che non siano piccoli. Se quelli più grandi devono essere alimentati a idrogeno, questo richiederà almeno una parte del lavoro da fare tornando al percorso del Progetto Suntan e impiegando motori a turbina che bruciano la roba come gas.

Questo approccio è ora adottato da Airbus, una ditta europea che condivide con Boeing of America un duopolio sui grandi aerei passeggeri. A settembre Airbus ha presentato ZEROe, un progetto incentrato su tre velivoli concept alimentati a idrogeno. Anche se si tratta di modelli a corridoio singolo a corto raggio, sono un passo avanti rispetto a tutto ciò che potrebbe essere alimentato solo da celle a combustibile.

Tutti e tre sono progettati per aggiogare insieme le due tecnologie basate sull’idrogeno, con motori a turbina a idrogeno che potenziano il decollo e le celle a combustibile che alimentano la crociera. Uno dei concetti è un turboprop che porterebbe fino a 100 passeggeri per distanze fino a 2.000 km. Una versione più grande a turboventola porterebbe il doppio di quel carico per due volte più lontano. Il terzo approccio è più sperimentale: un modello “blended wing”, in cui fusoliera e alettoni fanno parte della stessa struttura aerodinamica triangolare. Il vantaggio di questo è che crea un volume extra per lo stoccaggio dell’idrogeno.

Le sfide dell’uso dell’idrogeno vanno oltre la forma del corpo, però. Ridisegnare un motore a turbina per funzionare con questa roba sarà un’impresa da molti miliardi di dollari. L’idrogeno brucia più velocemente del cherosene, e brucia anche più caldo. Questo significa che i materiali esposti alla sua combustione subiscono maggiori stress. Rischia anche di aumentare l’inquinamento generato sotto forma di ossidi di azoto, il che annullerebbe parzialmente i benefici ambientali della combustione dell’idrogeno. E sarebbe anche utile organizzare le cose in modo che una parte dell’energia usata per comprimere o liquefare l’idrogeno per lo stoccaggio possa essere recuperata e messa al lavoro.

Per i prossimi anni, Airbus si concentrerà sullo sviluppo delle tecnologie gemelle di celle a combustibile e turbine a idrogeno in parallelo con la progettazione dei loro futuri aerei. Se i test a terra avranno successo, l’azienda spera di avere dimostratori in volo – quello che Glenn Llewellyn, vicepresidente di Airbus per gli aerei a zero emissioni, chiama banchi di prova volanti – entro il 2025. Un prototipo in scala reale dovrebbe seguire entro la fine del decennio, con il primo aereo di linea commerciale a zero emissioni che entrerà in servizio entro il 2035. Chi fornirebbe i motori per un tale aereo non è ancora chiaro. Ma Safran, un produttore di motori francese che spesso lavora con Airbus, ha confermato che sta esaminando l’alimentazione a idrogeno per gli aerei commerciali.

Finora, Boeing non ha seguito l’esempio. Questa divisione geografica potrebbe non essere una coincidenza. La politica pubblica dell’UE è saldamente verde, così come la politica pubblica in Gran Bretagna, non più membro dell’UE ma sede di diversi impianti Airbus. La politica dell’UE in particolare si traduce in denaro effettivo per la ricerca pertinente attraverso il programma Clean Sky 2 dell’Unione.

Nessun sostegno simile, né morale né finanziario, è stato offerto in America negli ultimi quattro anni. L’amministrazione entrante di Joe Biden, tuttavia, sembra essere d’accordo con l’Europa sulle questioni ambientali. E questa nuova direzione sarà probabilmente, come in Europa, accompagnata da denaro pubblico. Boeing, inoltre, correrebbe un rischio lasciando l’alimentazione a idrogeno a Airbus. Se la tecnologia avesse successo, rischierebbe di perdere una parte importante del suo mercato – e questo è qualcosa che certamente non può permettersi di fare.■

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Questo articolo è apparso nella sezione Science & technology dell’edizione cartacea con il titolo “If at first you don’t succeed…”