Mancano 100 giorni alla SEM e..

Entrando in laboratorio si respira un’aria strana, quasi fastidiosa. . Stagno, bio-etanolo, fibra di carbonio, grasso, e una “quantità” di persone che fan sì che non ci sia un odore proprio piacevole…… 

Questo non è il solito “post” tecnico perchè da oggi, a 100 giorni dall’inizio della SEM, non ci sarà più tempo per studiare la soluzione migliore, per rendere più efficiente il componente disegnato e neanche tempo libero per sé stessi. Oggi il Team ha superato il punto di non ritorno, da questo momento in poi non si può più tornare indietro, non si può più scherzare o “giocare” tutti, vecchi e nuovi membri del Team, devono fare sul serio, si deve dare “sostanza” ai mesi di lavoro.

Il Team H2politO pronto per la 30esima Shell Eco-marathon

E’ in questa fase che oltre ai veicoli si “plasma” il team, quello vero, unito e grintoso, ma soprattutto umano. Aree tecniche intere che per mesi hanno lavorato dietro ai loro PC o chiusi in una sala prove motori devono amalgamarsi, e devono farlo bene e in fretta… perché IDRA E XAM devono scendere in pista il prima possibile, in modo da far diventare realtà le sequenze di operazioni, lunghi discorsi, sguardi d’intesa, problemi irrisolvibili e piccoli intoppi. Non serviranno più mail o riunioni a realizzare ciò, occorre lavorare fianco a fianco, km dopo km in pista.

Perché quando sei nei box, nel bel mezzo dell’Europa, devi essere semplicemente perfetto, devi aver previsto tutto. Devi essere consapevole che il lavoro di un anno di un intero Team, di tutti quei ragazzi che oramai son diventati parte di te, dipende anche dalla qualità del tuo contributo. Il risultato è il prodotto di ogni singolo sottosistema che deve funzionare insieme, basta il minimo errore per far fermare l’auto lungo la pista. E per chi c’è già passato questo significa avere le lacrime agli occhi…

In quel centro congressi che per tutto l’anno ospita gente che parla, che vende e che discute per una settimana diventa un box in cui ho respirato l’aria più dolce che possa esistere. Anche L’acre odore di “ansia” che prima era facilmente distinguibile ora è completamente compensato da un profumo che non avevo mai sentitodiverso, nuovo, perfettamente equilibrato, sembra il risultato degno del più grande “maitre parfumeur” francese. Attenzione non è facile immergersi in quell’atmosfera nuova, diversa da quella che ti ha sempre circondato, non la conosci. Certo ti sei preparato, hai studiato, sei diventato esperto, ma anche conoscere perfettamente la teoria le tecniche di nuoto non dà la sicurezza di essere un provetto nuotatore.

La porta a vetri di quel paddock improvvisato non è una normale porta, non divide due ambienti dello stesso stabile, divide il mondo delle equazioni, delle ipotesi, l’idealità di un numero da quello reale. Quello in cui non puoi applicare un coefficiente “correttivo” per far convergere il modello e ottenere i risultati migliori, quello in cui non hai più tempo di rifare “un attimo” i calcoli , è il mondo del “pánta rêi” di Eraclito. Non si può tornare indietro. 

Il primo respiro in quella nuova atmosfera ti toglie il fiato. E lì ci sono due possibilità, o quell’aria ti “gasa” come il protossido d’azoto dei dragster oppure ti soffoca facendo emergere tutta la tensione che si è accumulata per un anno. Non sei però un esploratore solitario, ricordi che al tuo fianco hai il tuo Team, magari ragazzi che quell’aria l’hanno già respirata e che sanno quanto sia dolce, e che son tornati per riassaporarla insieme ai compagni. Basterà uno sguardo, un veloce scambio di emozioni per far scomparire quella “cosa” che è l’ansia, in grado di distruggere in un attimo un anno di lavoro.

Ora prova di nuovo a inspirare profondamente a pieni polmoni e 3…2…1…via!!! Eccolo l’instante che vale un anno, la frazione di secondo in cui tutti i problemi, tutte le paure svaniscono e rimane solo il leggero fischio sempre più acuto di un motore elettrico che accelera. 

La senti ora quell’energia che dal centro del petto esplode? Lo riconosci ora quel profumo?

Ecco quello è il profumo della vittoria…… ed è per quel profumo che ora iniziamo a “lottare”!!

La lunga strada dell’auto ibrida

La possibilità di poter trasportare persone o cose ha rappresentato da sempre uno dei fabbisogni primari per l'essere umano. Non a caso, infatti, l'invenzione della ruota e la scoperta del fuoco hanno segnato un cambiamento netto nella società primitiva.

XAM 2.0 prototipo ibrido del Team H2politO

Parlando dell’avvento dell’automobile come la conosciamo oggi però dobbiamo andare un po’ più avanti. A partire dalla metà del 1700 si iniziò a costruire prototipi di motori a combustione, di cui particolare peso ebbero quelli a vapore. Il motore a combustione interna fece la sua comparsa alla fine del XVIII secolo e fu perfezionato fino alla metà del 1800, quando vennero installati per la prima volta su veicoli stradali. Particolarmente importante fu la realizzazione del motore Otto nel 1878 e del vero e proprio veicolo basato su questa tecnologia, il triciclo realizzato da Karl Benz nel 1885. Nello stesso periodo trovò spazio anche un’altra tecnologia: la trazione elettrica. Quest’ultima prendeva le mosse dall’invenzione della batteria al piombo grazie alle ricerche di Volta e del motore elettrico partendo dalla dinamo di Pacinotti, entrambe avvenute attorno al 1860.

Tra la fine XIX secolo e l’inizio del XX secolo dunque vi erano tre tecnologie che si contendevano l’egemonia del nuovo mondo delle “carrozze senza cavalli”: i motori a vapore, la trazione elettrica e i propulsori a combustione interna. Di queste le prime due apparivano come le più mature ed affidabili, in particolare i veicoli elettrici erano particolarmente apprezzati in città, dove la loro silenziosità e l’assenza di emissioni la facevano da padroni, senza dimenticare le prestazioni, in alcuni casi superiori ai motori a ciclo Otto. Emblematico è il prototipo elettrico Jamais Contente del 1899 di Camille Jenantzy stabilì il record mondiale di velocità con 106 km/h).

Dall'alto a sinistra in senso orario: Carro di Cugnot (vapore, 1769), Benz Patent Motorwagen (motore a combustione, 1886)
Jamais Contente (elettrico, 1899) e Lohner-Porsche Mixte Hybrid (ibrida, 1897)

Tuttavia la necessità di avere a bordo del proprio veicolo una scorta di energia per raggiungere una grande autonomia e di mantenere il prezzo unitario il più basso possibile fece si che le auto elettriche, per i limiti tecnologici delle batterie installate, cedessero il passo a quelle dotate di motore endotermico, il cui combustibile era disponibile a basso costo anche grazie alla scoperta di grandi giacimenti di petrolio. Ad inizio ‘900 quindi si definì in modo inequivocabile l’architettura dell’auto che è giunta fino ad oggi basata sulla tecnologia del motore a combustione.

Negli ultimi anni si sta assistendo ad un cambio di tendenza confermato dalla massiccia diffusione di auto ibride.

Ma cosa si intende con il termine ibrido e da dove nasce questa tecnologia?

Nella maggior parte dei casi per architettura ibrida si intende l’utilizzo di un motore elettrico e di un motore a combustione interna combinati. Tale tecnologia è, a dispetto di quello che si pensa, tutt’altro che recente tant’è vero che il primo prototipo ibrido fu creato da Ferdinand Porsche nel 1897 ed esposto nel salone dell'Esposizione Universale di Parigi del 1897.

Ma da cosa nasce l’esigenza dell’ibrido?

I fattori principali che hanno portato allo sviluppo di questa “nuova” tecnologia sono principalmente due:

• Il trend di aumento del prezzo del carburante e quindi l’attenzione degli utilizzatori nei riguardi dei consumi. 
• Le sempre più stringenti normative anti inquinamento che impongono ai costruttori dei limiti sulle emissioni, in particolare per quanto riguarda la CO2, e quindi di consumo.

Per far fronte alle richieste normative la sola ottimizzazione del motore termico non è sufficiente ed entrando infatti nel dettaglio possiamo affermare che i motori a combustione interna hanno raggiunto un “limite tecnologico” ovvero ogni minimo miglioramento dell’ordine di pochi punti percentuali dell’efficienza del motore è raggiunto a fronte di cospicui investimenti di risorse umane e finanziarie.

Inoltre, se si analizzano i dati numerici, si comprende che l’attuale rendimento (rapporto tra potenza utile generata e potenza spesa per l’operazione) di un motore a benzina oscilla tra il 30% e il 35% mentre quello di un motore diesel può arrivare fino al 40%. Tali rendimenti vengono calcolati a banco prova, in condizioni quasi ideali, quindi la situazione peggiora drasticamente nel momento in cui il motore endotermico viene installato su autovettura, in tal caso infatti si raggiungono rendimenti reali che superano di poco il 20%.

A questo punto la domanda sorge spontanea:  perché non utilizzare un sistema di trazione puramente elettrico per le nostre autovetture?

I motori elettrici, infatti, hanno moltissimi pro:        

• Hanno rendimento tra l’85 e il 95%;, 
• sono silenziosi; 
• sono più compatti dei motori a benzina e non emettono inquinanti; 
• hanno costi di manutenzione più bassi.

Tuttavia, ad oggi, la loro installazione a bordo veicolo è limitata dal fatto che le batterie non garantiscono le stesse prestazioni di un combustibile fossile in termini di densità energetica e di densità di potenza.

Come è noto, ogni motore ha infatti bisogno di una fonte di energia a bordo per poter funzionare, che nel caso di un motore a combustione è il carburante, per il motore elettrico sono gli accumulatori, di cui i più usati sono le batterie. Esse, rispetto alla benzina o al diesel, possiedono un’energia specifica tra i 60 e i 190 Wh/kg, mentre i combustibili si attestano tra gli 11000 (benzina) e 13000 (diesel) Wh/kg, circa 50 volte tanto!

Un pacco batterie per garantire prestazioni paragonabili in termini di energia e potenza all’omologo serbatoio di carburante, a parità di veicolo, avrà dunque avere dimensioni e pesi molto importanti, a scapito della dinamica e dei consumi del veicolo.

Ad oggi le batterie al litio hanno tempi di ricarica molto elevati se confrontati ad un “pieno di Benzina” (nell’ordine delle ore per una ricarica completa), una vita tutto sommato limitata (attorno ai 1000 cicli di carica e scarica) e soprattutto costi iniziali molto elevati.

L’ibrido si inserisce in questo scenario per colmare le lacune dei due sistemi ed aumentare l’efficienza globale utilizzando al meglio le tecnologie esistenti.

Cerchiamo di spiegare quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia: Il vantaggio principale di tale scelta sta nel fatto che, con l’ausilio di un motore elettrico, quello endotermico può lavorare ad un regime di funzionamento a più elevata efficienza, diminuendone in questo modo i consumi e le emissioni inquinanti. Per sua natura, infatti, il motore termico necessita di un regime minimo per erogare una coppia sufficiente a vincere gli attriti interni, e quindi restare acceso, ed alimentare gli accessori. Dunque affinchè il veicolo si metta in movimento è necessario ricorrere al cambio meccanico che ha lo scopo appunto di moltiplicare la coppia. Inoltre, se il carico non è massimo il motore perde efficienza. Questa situazione è molto comune nella marcia cittadina, dove il 44% del consumo nella fase urbana del ciclo di omologazione europeo NEDC è imputabile alle fasi di accelerazione.

La figura mostra un’esempio di piano quotato dei consumi cioè di andamento del consumo di un motore alternativo in funzione della coppia e dei giri motore. Come si può notare, per accelerazioni modeste a bassa velocità (zona “rossa” del grafico), classico esempio di partenza dal semaforo, il consumo specifico di carburante è sensibilmente più alto rispetto alla zona “verde” della mappa. Questo non vuol dire che per consumare poco bisogna andare “forte”, ma che inserendo una marcia più alta a basse velocità per ottenere le stesse prestazioni è necessario premere più a fondo l’acceleratore, con l’effetto di far lavorare il motore in una condizione a lui più favorevole.

Mappa iso-consumo

D'altro canto, come mostra la figura successiva, il motore elettrico è capace di erogare, fin dai bassi giri, la coppia motrice massima (tale coppia descresce in maniera iperbolica al regime massimo). L’accoppiamento di questi motori dunque rende possibile lo sfruttamento dei punti di maggiore efficienza di entrambi, utilizzando per le partenze il motore elettrico, per l’accelerazione il solo elettrico o entrambi i motori in percentuale variabile (a seconda della potenza richiesta dal conducente) e il motore termico per il mantenimento della velocità di crociera o la ricarica delle batterie.

Come si può notare dal grafico seguente, il motore elettrico è capace di erogare una potenza costante per gran parte del suo range di velocità (curva blu), a bassi giri invece il motore elettrico è in grado di trasmettere la massima coppia fino al raggiungimento della potenza massima del motore. Questa è la caratteristica che rende il motore elettrico particolarmente adatto alle accelerazioni.

Coppia e Potenza massime di un motore elettrico al variare del regime di rotazione

Altro aspetto che va tenuto presente, nell’ottica di riduzione dei consumi, è che ogni macchina elettrica in sé è in grado di lavorare sia in trazione che in generazione e quindi ogni veicolo ibrido cerca di sfruttare nei rallentamenti la capacità di “frenare” con il motore elettrico, recuperando parte dell’energia altrimenti dissipata per attrito dai freni.

Questo miglioramento dell’efficienza dell’intero veicolo non vuol dire unicamente bassi consumi, ma in alcuni casi anche alte prestazioni. Come molti forse sapranno la Formula 1, considerata da tanti la massima espressione tecnologica dell’automobile, da quest’anno propone auto ibride.

Il concetto di motore infatti è stato sostituito da quello della Power Unit (unità motrice), costituita da un V6 turbocompresso a benzina di 1,6 litri e da due motori elettrici, uno azionato dall’energia cinetica raccolta in frenata e l’altro, calettato sull’albero del gruppo turbo-compressore recupera parzialmente l'energia contenuta nei gas di scarico.Le due unità compongono il sistema elettrico di ausilio al motore termico e prendono il nome di ERS: Energy Recovery System. Per essere precisi, il motore-generatore preposto al recupero dell'energia cinetica eccedente dalle ruote motrici si chiama MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetics) ed è direttamente collegato all’albero motore; quello preposto al recupero dell'energia termica dai gas di scarico del turbo, MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) ed è ovviamente collegato alla girante del compressore, agendo come generatore durante le fasi di velocità costante. L'energia recuperata da MGU-K e MGU-H viene accumulata in un pacco batterie comune, della capacità doppia rispetto ai KERS delle Formula 1 degli anni precedenti; l'imponente elettronica di gestione, collegata alla sensoristica per la frenata posteriore, ha il compito di restituire la potenza recuperata secondo mappature preimpostate, non modificabili dai team. Da notare che l'energia recuperata dall'MGU-H viene restituita alla girante del turbo, per eliminarne il ritardo di risposta (turbo lag). Il risultato? Un'erogazione della coppia più lineare, a tutto vantaggio dell'efficienza termodinamica e delle prestazioni in accelerazione, ma con consumi minori del 30% rispetto agli anni scorsi. 

Di seguito un video esplicativo di come funzioni una Power Unit del campionato di Formula 1 2014:

Se e come ci possa essere una ricaduta sulle auto di tutti i giorni è un argomento tutt’ora controverso, in molti infatti sostengono che vi sia troppa diversità tra gli ibridi prestazionali della F1 e le vetture di serie, e che dunque solo le cosiddette supercar possano trarne vantaggi. Questo può essere vero se si pensa al recupero dell’energia in frenata. Un’auto stradale, nell’uso quotidiano, affronterà di norma lunghe frenate di bassa intensità, mentre una da competizione deve far fronte a fasi di frenata brevi e molto violente, con conseguente grosso carico sulle batterie, spingendo i progettisti ad utilizzare diverse logiche di gestione o addirittura sistemi completamente differenti. Ne è esempio la Porsche 911 GT3R Hybrid, utilizzata per la 24h del Nürburgring, che utilizza un volano per stoccare l’energia della frenata prima di essere riutilizzata in accelerazione.

La Porsche 911 GT3R Hybrid e il sistema di recupero dell'energia cinetica

“Per come stanno le cose adesso, sembra più probabile che le auto saranno spinte da motori a benzina o diesel di qualche genere. E’ abbastanza possibile, comunque, che verrà scoperto un sistema di accumulazione di energia elettrica che si dimostrerà più economico, ma ad oggi il motore benzina e quello diesel sembrano più promettenti”. Sembra una frase attuale, in realtà si tratta di una dichiarazione di Thomas Alva Edison del 1875.

Quello che frenò lo sviluppo della trazione elettrica, allora come oggi, fu la caratteristica del motore termico di poter andare “ovunque, in ogni momento e come si vuole”, proprio per la possibilità di accumulare velocemente energia mediante rifornimento presso le aree di servizio. Ad oggi la situazione è simile, ma il contesto è differente. La sensibilità in tema di inquinamento atmosferico e le nuove leggi contro le emissioni sono stimolo per l’introduzione di nuovi schemi di trazione più volti all’efficienza. Le normative volte riduzione degli inquinanti e in particolare della CO2, non sostanza nociva a tutti gli effetti ma responsabile dell’effetto serra, sono sempre più stringenti: dal 2020 ogni produttore di auto dovrà garantire che le proprie vetture dell’intera gamma di nuova immatricolazione non emettano più di 95 g/km di anidride carbonica, corrispondenti ad un consumo di circa 4L/100km. In questo contesto le architetture ibride ed elettriche si rivelano essere estremamente efficaci,infatti un’auto ibrida ha un rendimento pari al doppio del rendimento di un’auto equipaggiata dalla sola unità termica (si raggiungono rendimenti complessivi superiori al 40%). Sempre per citare Edison “è molto difficile introdurre una rivoluzione se non c’è un chiaro e diretto vantaggio per l’utilizzatore finale”. Molto difficile si, ma a noi la parola impossibile non piace. Probabilmente nei prossimi decenni non si riuscirà a fare a meno dei motori a combustione, ma consumeremo ed inquineremo sempre meno. E noi ci stiamo già lavorando.

XAM e XAM 2.0 al traguardo della Shell Eco-marathon (sinistra) e della Future Car Challenge (destra)

Quando la mobilità sostenibile diventa emozionante: accade a Siracusa.

Sono passati 7 anni dall’ultima volta che sono stato nel mio liceo. Ricordo ancora quel giorno: era una mattina di metà Luglio ed insieme ad alcuni miei compagni di classe salutavamo i nostri professori per intraprendere da lì a poco una nuova avventura.

Sono passati 7 anni, dicevo. Oggi non è estate, è inverno e le vacanze di Natale sono vicinissime: è il 20 Dicembre. Mi sono svegliato presto, pensando: “Devo andare a scuola e non devo fare tardi!”. Ho preso l’auto e ho rifatto la stessa identica strada che facevo 7 anni fa. Con me ho sempre uno zaino, ma a differenza del passato non vi sono più libri e appunti, ma solo un computer ed una videocamera. Indosso una felpa nera, ma non è una felpa qualunque: sulla spalla sinistra c’è il logo del Politecnico di Torino, sulla destra la bandiera italiana, davanti e dietro un altro logo, un po’ stravagante rappresentante due mole coline colorate, con una scritta: Team H2politO. Questo logo è il motivo per cui oggi sono tornato nuovamente al liceo scientifico “L. Einaudi” di Siracusa.

La scuola è cambiata. All’esterno è rimasta praticamente uguale, ma dentro è cambiata. Anch'essa è diventata ormai tecnologica. Incontro uno dei miei ex professori, Salvatore Spallina che insieme alla mia ex professoressa di scienze, Concita Pitruzzello, mi hanno permesso di organizzare quest’incontro di oggi. Non si tratta di semplice orientamento universitario, oggi si parlerà di come un mondo migliore è possibile, anche al Sud, anche in Italia. Oggi si parlerà di futuro. Così ha detto il mitico Prof. Spallina: “A scuola vi insegniamo soltanto cose del passato. Oggi avete l’opportunità di dare uno sguardo al futuro”, ha ribadito introducendo me ed i miei due colleghi siracusani di Team Alessandro Tomasello e Pietro Sanfilippo, presenti all’evento.

Ecco, è proprio questa la nostra responsabilità: il futuro.  E’ forse l’obiettivo più nobile insito del Team. Oggi si è parlato di futuro, in particolare di quello dell’automobile, trattando l’argomento della mobilità sostenibile.  Senza la pretesa di avere le risposte in tasca, senza la presunzione di conoscere la verità,  ma con l’atteggiamento di chi socraticamente “sa di non sapere” e che per questo motivo non fa altro che porsi domande, studiare e lavorare “sodo” affinchè si arrivi ad una possibile soluzione.

Oggi io, Alessandro e Pietro abbiamo mostrato il lavoro del Team H₂politO: i risultati, le tecnologie ed i sogni futuri, cercando di appassionare i 30 studenti presenti alla conoscenza, allo studio  e, perché no, alla ricerca. L’incontro di oggi non voleva insegnare nulla in particolare, se non il fatto che passione e coraggio sono due dei fattori più importanti nella vita di ogni studente (e poi futuro lavoratore).  L’incontro di oggi ha voluto solo dimostrare che il futuro siamo noi giovani, con le nostre idee fresche ed innovative, senza barriere e limiti, pronti a scommettere tutto su noi stessi. Studenti che potranno diventare dottorandi, professionisti, imprenditori  e che, poi, danno vita a start-up tecnologicamente avanzate. Questo è il futuro.

Al termine della presentazione, uno dei ragazzi presenti ha detto: ”Forse vale davvero la pena studiare se poi è possibile realizzare cose come queste”. Ecco, è questo il senso dell’Università, e fortunatamente il Politecnico di Torino, che noi rappresentiamo, l’ha capito. Questa semplice frase ci ha fatto capire quanto importante sia il nostro lavoro, quanto importante sia divulgare il nostro lavoro rendendo tutti partecipi del nostro sogno. Dare to change: osiamo il cambiamento…non più da solo, ma con tutti coloro che credono in noi.

Oggi è stato un giorno emozionate: abbiamo fatto qualcosa per la quale avrei pagato al liceo pur di partecipare. E spero che sia stato altrettanto emozionante anche per i miei ex professori, poter vedere che uno degli studenti da loro formato, abbia avuto la possibilità di crescere e di far parte di una delle più importanti eccellenze del Politecnico. Un’occasione per ribadire di tener duro e di continuare così nel loro importante e prezioso lavoro di formazione degli studenti: a loro vanno i miei più sentiti ringraziamenti per tutto ciò che mi hanno insegnato, poiché mi ha permesso oggi di poter essere un membro del Team H₂politO. 

La progettazione meccanica: dal modello alla realizzazione di un componente

Come si progetta un componente meccanico? Questa non è affatto una domanda facile alla quale rispondere. Servono due delle qualità più importanti che un ingegnere deve avere, al di là della conoscenza, ovviamente. Esse sono la creatività ed una buona dose di pigrizia. Sembrerà strano leggere questa affermazione , ma proseguendo con la lettura saranno senza dubbio più chiare le ragioni che sono alla base di quest’ ultima frase.

Di certo con pigrizia non si intende la poca volontà nel lavorare o nel portare a termine progetti lunghi e complessi, ma la mentalità che porta ogni persona ad ottenere i migliori risultati possibili con il minimo sforzo, cercando di realizzare soluzioni tanto efficaci quanto semplici.
In questo senso, usando una “proporzione matematica”,  la pigrizia sta al progettista come la penna allo scrittore.

Il primo passo da eseguire consiste nell’osservare un problema e guardarsi intorno per accertarsi che altri non lo abbiano già affrontato, magari trovando anche delle soluzioni. Successivamente si passa alla realizzazione di un disegno, e quindi di un modello 3D, con una geometria  quanto più semplice possibile, ma che dia idea degli ingombri e delle possibili limitazioni della soluzione.

Primo modello di un supporto

 Il secondo passo è quello di decidere, in base alle proprie esigenze, il materiale e la metodologia di realizzazione del pezzo, onde evitare di definire geometrie particolari per poi scoprire, solo successivamente, che queste sono irrealizzabili o realizzabili a prezzi eccessivi. La pigrizia ancora una volta viene in aiuto all’ ingegnere facendogli valutare tutte le possibili problematiche del particoalre in questione prima di realizzarlo.

Così dopo aver realizzato il modello di base si sfrutta un arma potentissima messa a disposizione dei progettisti negli ultimi anni: la simulazione. Uno strumento  che consente di ottimizzare il più possibile le parti meccaniche progettate prima che esse vengano messe in produzione, al fine di risparmiare moltissimo tempo, denaro, lavoro, massae cosi via. Essa è tanto potente quanto complessa e può rivelarsi un’arma a doppio taglio se non utilizzata correttamente.

Alla base della simulazione infatti vi è il concetto di discretizzazione di un modello, che deve essere precedentemente realizzato con un CAD,, tramite un insieme di nodi ed elementi di varia geometria.  Questo metodo è detto metodo degli elementi finiti (FEM) e ha lo scopo di  simulare le caratteristiche reali del componente in un ambiente virtuale, per ottenere delle soluzioni approssimate a dei problemi normalmente descritti da equazioni differenziali. L’insieme di questi elementi forma la mesh del componente e può essere composta  da elementi: 3D come tetra (tetraedri) o Exa (Esaedri), 2D come quad (quadrati) o tria (elementi triangolari) nel caso di solidi con una dimensione trascurabile rispetto alle altre. Nel caso di geometrie in cui due dimensioni sono trascurabili rispetto ad una terza (cavi o travi), si utilizzano invece elementi 1D.

La mesh fà sì che i nodi siano connessi da elementi a cui vengono attribuite le proprietà del materiale selezionato, quali il modulo di Young E e il coefficiente di Poisson ν, che tramite la combinazione lineare di funzioni algebriche permetteranno di fornire, come output, delle deformazioni in base a definite condizioni al contorno, ad esempio. Questo permette di prevedere il comportamento del componente che si sta progettando in base ai vincoli e carichi che sono stati considerati.

Il punto debole di questo metodo è quello che si sta realizzando un modello ad elementi finiti di un componente che si potrebbe assumere come continuo, per questo per ottenere risultati “approssimati” tanto più vicini alla realtà quanto possibile, si usa “infittire” la mesh nelle zone di maggior interesse.

Mesh di un supporto

 La domanda che sorge spontanea è : “perché non inserire un numero altissimo di elementi in modo da avvicinarsi moltissimo alla realtà”?

Perché in base al numero di elementi utilizzati le matrici da elaborare dal sistema di calcolo assumono dimensioni sempre maggiori, ed in base al tipo di simulazione i tempi di calcolo possono essere linearmente o addirittura esponenzialmente proporzionali al numero di elementi utilizzati, il che porterebbe a tempi di calcolo insostenibili. E’ evidente quindi come un bravo ingegnere debba utilizzare il metodo degli elementi finiti per realizzare un modello che sia tanto accurato quanto rapido da simulare.

Stati tensionali di un supporto

 Dopo aver effettuato la simulazione è possibile valutarne le deformazioni, le reazioni vincolari, gli stress e tanti altri parametri, che possono aiutare a modificarne la geometria per raggiungere il miglior compromesso nel particolare progettato: funzionalità, semplicità, salvaguardando caratteristiche di resistenza e deformazione, e futuro costo di realizzazione. In questo modo è possibile realizzare, ad esempio, degli alleggerimenti nelle zone soggette a una tensione minore, e che quindi “contribuiscono” di meno alla resistenza strutturale.

Stati tensionali di un supporto "alleggerito"

 Infine si realizza la messa in tavola,  ossia la tavola quotata necessaria per la messa in produzione e voilà, il gioco è fatto. E’ solo necessario aspettare che la macchina utensile completi la sua opera per vedere il componente realizzato!

Messa in  tavola del supporto

Il supporto "vero" realizzato

Veicoli a Fuel Cell: possono essere la risposta per un futuro sostenibile in campo automotive?

Oggi, le crescenti preoccupazioni sull’inquinamento atmosferico e la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili hanno risvegliato l’interesse verso l’idrogeno come “mezzo energetico” per gli  autoveicoli, che fin’ora era utilizzato soltanto in applicazioni “di nicchia”, per esempio nei programmi spaziali.

Sarà mai possibile vedere sulle nostre strade veicoli alimentati ad idrogeno?

La risposta sta arrivando dal paese del Sol Levante e precisamente da Toyota. Infatti la casa automobilistica nipponica sta lanciando Mirai, che in giapponese significa “futuro”  un nuovo tipo di autoveicolo alimentato ad idrogeno. Ha un motore elettrico in grado di erogare una potenza di 113 kW e può raggiungere una velocità massima di 180 km/h.

La nuova Toyota Mirai (sinistra) e il suo interno (destra)

Toyota punterà su una notevole autonomia (più di 480 km con un pieno di idrogeno) e una velocità di ricarica decisamente ridotta (meno di 5 minuti).

Il “motore” che muove il veicolo ad idrogeno è la cella a combustibile (o Fuel Cell) e alla base del suo funzionamento c’è una reazione elettrochimica, dell’idrogeno con  l’ossigeno dell’aria, che mette a disposizione degli elettroni liberi. Questi elettroni, in determinate condizioni, sono in grado di circolare in un circuito esterno producendo una corrente elettrica. A differenza delle batterie, le Fuel Cell sono sistemi aperti, cioè in grado di funzionare fin quando viene provveduto il combustibile (idrogeno) e reagente (ossigeno).

In un primissimo futuro le vendite saranno “concentrate” in Giappone e precisamente nelle zone in cui è disponibile una stazione di rifornimento ad idrogeno (Tokyo, Nagoya, Osaka, Fukuora), ma la Mirai  sarà il primo modello di auto ad idrogeno al mondo, commercializzata su vasta scala . Il gruppo Toyota spera di vendere almeno 400 esemplari in Giappone entro la fine 2015 (200 già sono state ordinate!!),  e successivamente tra 50 e 100 ogni anno in Europa; negli USA invece prevede una vendita di circa 3000 veicoli entro il 2017. Il costo previsto in Europa è di circa 66 mila euro più tasse, e naturalmente è ancora decisamente elevato.

Vano motore (sinistra) e layout (destra) della Toyota Mirai

L’obiettivo di Toyota è ambizioso e lungimirante, come si può intendere dalle parole di Bob Carter Senior Vice President di Toyota Automotive:  “ Non stiamo reinventando la ruota, solo tutto il necessario per farla muovere. Non ci sono dubbi che il successo di questa tecnologia al momento dipende più dall’esperienza dell’utente nel suo complesso che non dalla singola auto”.

Toyota ,infatti, sta puntando soprattutto a cambiare la concezione di auto che oggi noi tutti abbiamo. Mirai potrà essere anche utilizzata come fonte di energia temporanea, infatti ci sarà un dispositivo opzionale che, se installato, potrà fornire l’energia elettrica ad un’abitazione in caso di emergenza. Grazie alla tecnologia Fuel Cell, Mirai può superare di 3 volte la potenza generata da un sistema di back-up a batterie e, rispetto ad un gruppo elettrogeno, risolverebbe il problema dei gas di scarico. Addirittura la vettura, garantisce Uchiyamada (Chairman di Toyota Motor Corporation), potrà essere usata come buffer per case dotate di fonti energetiche alternative; fornendo energia quando le rinnovabili (eolico, solare ecc.) non sono in grado di farlo.

Sebbene l’idrogeno richieda molti accorgimenti in materia di sicurezza, ad oggi, sembra essere il principale candidato come vettore energetico del futuro.

Il Power Take Off, ovvero la connessione all'abitazione in caso di emergenza 

Il progetto Toyota comunque nasce da collaborazioni con diverse Università e non solo nipponiche, tra cui spicca l’Università della California, proprio ad indicare che “l’impronta accademica” è sempre la base di rivoluzioni tecnologiche e sociali, come può essere considerato un veicolo ad idrogeno.

Il Team H₂politO, supportato dal Politecnico di Torino, da circa 7 anni ha abbracciato questa filosofia di vita a basse emissioni di CO₂, ovvero sviluppare veicoli a basso impatto ambientale sensibilizzando i futuri ingegneri e utilizzatori su queste tematiche.

IDRApegasus è un prototipo ad idrogeno progettato e realizzato interamente da studenti per partecipare alla Shell Eco-Marathon, competizione in cui vince il veicolo che consuma di meno.

Anche se la forma e le soluzioni tecnologiche di IDRApegasus differiscono dalla Toyota Mirai FCV, alla base dei due progetti c’è la medesima filosofia: il cambiamento e la stessa propulsione: una fuel cell a idrogeno. Un cambiamento in campo automotive e un cambiamento del modo in cui le persone concepiscono la mobilità su strada. Il Team H₂politO e Toyota ci credono. E voi?

Il nostro prototipo a Fuel Cell IDRApegasus pronto a partire
alla Shell Eco-marathon 2014

Formula E as Shell Eco-marathon: competitions at the basis of future mobility

Can a FIA world championship be compared to an international race for students? Is it possible to equal 270 bhp racing cars to 1 kW little vehicles designed for optimal fuel efficiency? Though it might sound crazy the right answer is both yes and no. Don’t worry we “haven’t gone nuts”. We are talking about Formula E and Shell Eco-marathon.

Formula E (left) and Shell Eco-marathon (right)

But let’s start from the basis.

Shell Eco-marathon, to which Team H₂politO proudly takes part since 2008, is a competition aimed at University and High School students. Its objective is to make students design vehicles , both prototypes and urban concepts whose extremely low consumptions make them reach a rank, not their speed. This competition is held worldwide but for obvious logistic and economical reasons the same race is organized in different periods of the year and in three different locations: Europe, which this year will reach the 30^th edition, Asia and Americas, that started hosting races a few years after Europe. Team  H₂politO takes part to the Shell Eco-marathon Europe, which in the last four years (the location may change from year to year) was held through the roads surrounding the Ahoy Arena, in Rotterdam (Nederland)  with its vehicles IDRA e XAM, presented in this blog in the last weeks.

Formula E, a new typology of racing born within the FIA championship, is the very first single-seater championship for fully-electric racing cars. Introduced in September of 2014 will see participating teams running in the heart of some of the biggest cities in the world such as London, Beijing and Miami. The objective of this racing series is, as tradition in motorsports, to push the effort in research and development  of road cars through the experience gained on track. In this case Formula E, regarding fully electric cars, aims to stimulate the interest of fans and to develop further this particular field, growing the awareness in the field of a more sustainable mobility.

And it’s for this reason that Team H₂politO thinks that the two competitions have more in common than what it might not appear. Shell Eco-marathon too proposes itself to “continue to spark the debate about the future of mobility and inspire students to push the boundaries of fuel efficiency. And one of our contributions is the constant review and update of the competition rules, reflecting new trends in both the automotive and energy industries”. Moreover, besides the competition, Shell and its partners organize during  practice and race days an exhibition called Shell Energy Lab, where visitors of any kind are involved in activities that represent a journey through the ideas of the future of energy and mobility.

 

Comparison between Formula E launch video and Team H2politO's Communication Award

video campaign for Shell Eco-marathon 2014

Obviously the technical contents through which the two competitions hope to reach the same target are completely different.

Formula E, for its first championship, chose a single car to be used by all participants, the Spark-Renault SRT_01E. This single-seater car has an electric powertrain and electronics provided by McLaren Electronics Systems, the world leader in high-performance technology for motorsport, that equipped with the battery stake from Williams Advanced Engineering, part of the Williams group owner of the world famous F1 team, is able to provide a power output of 200 kW (270 bhp). The power in racing mode is set to 150 kW (202.5 bhp) to assure the best autonomy during the race but can be taken up to 180 kW (243 bhp) for 5 seconds per lap, exploiting an innovative interaction with the social networks (the most voted driver on social networks during the race can access this kind of “boost”). Despite this power reduction the driver must pit during the race to swap the car, creating interesting scenarios for the strategy and the control of the electric engines. These are capable of impressive performances even if they are a “100% green type of engine”: 0-100 km/h takes 3 seconds, the top speed is 225 km/h and all of this without emitting a single gram of CO₂. Big attention is dedicated to aerodynamics, specifically  optimized to help during overtakes, to chassis and bodyworks. Dallara, the celebrated Italian factory, takes care of designing the vehicles and granting the same safety standards of the Formula One. Race cars are made of  alluminum, carbon fiber and Kevlar with exceptional results both in structural stiffness and in weight reduction.

The Spark-Renault SRT_01E

As explained before this choice will regard just the first year of races. From next season on the Formula E circus will accept new suppliers and design variations, aiming at a more refined engineering competition. We are just at the dawn of a new way of seeing racing series in the vast motorsport world. 

Formula E in London

By the way, cars enrolled in Shell Eco-marathon are deeply different. First of all the competition is divided in two categories: Prototypes, extreme vehicles such as our IDRA, and Urban Concepts, city car-looking vehicles like our XAM. Both categories are furthermore divided by the type of fuel the vehicles use. You can find internal combustion engines, both conventional and hybrids, powered by Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) gasoline vehicles indeed, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% second generation bio-ethanol from the scraps of the agriculture, Shell Gas to Liquid, CNG, natural gas like methane and electric vehicles powered either by batteries or hydrogen fuel cells. Thanks to the great variety of the fuels and the broad freedom in the technical rules Shell Eco-marathon has a incredibly huge range of technical and stylish solutions, put on track by future designers, technicians and engineers.

IDRA (left) and XAM (right) at Shell Eco-marathon

The competition format aims at raying to simulate everyday conditions a vehicle might find itself while being used in a big city, so the average speed around the track is generally around 25 km/h. This average is due to the fact that rules oblige participants to cover the distance of 16,117 km of the track in less than 39 minutes (exceeding that time invalidates the achieved result).

In these terms thinking of a race strategy becomes a must. Our Team Members constantly communicate during the race with the driver in order to provide him or her the necessary information in order to use as less fuel as possible. The most efficient vehicle in its category wins by achieving that goal.

Don’t think that, due to the low speed and the apparently worse performances, with all due respect to motorsport vehicles, Shell Eco-marathon might feel a boring or not fascinating race. Participants live every single run (4 attempts during 3 racing sessions) feeling their hearts pounding. Those will be the longest 39 minutes  that they will ever experience.

Deep differences but a common goal, work together for a sustainable mobility, against pollution and the growing congestion of our cities, building in new generations the idea of a cleaner world even though following different paths.

Team H₂politO is involved, with Shell Eco-marathon, as Formula E to accelerate this change. Are you?

Team H2politO at Shell Eco-marathon 2014

La Formula E come la Shell Eco-marathon: la competizione come base per il futuro della mobilità

Può un campionato mondiale FIA essere paragonato ad una competizione internazionale di studenti? Possono essere messi sullo stesso piano “bolidi” da oltre 270 CV e “veicoletti” da 1 kW pensati per  consumare meno possibile? La risposta è: sì è possibile, e no, non siamo completamente pazzi: parliamo di Formula E e della Shell Eco-Marathon.

Formula E (sinistra) e Shell Eco-marathon (destra)

Ma occorre procedere con ordine.

La Shell Eco-marathon, a cui il Team H₂politO partecipa orgogliosamente dal 2008, è una competizione, destinata a studenti dell’Università e delle Scuole Superiori, il cui obiettivo è progettare veicoli, sia prototipi che “urban concept” (quasi auto da città), la cui prestazione in gara è valutata in termini di minor consumo in termini energetici e non della sola posizione in classifica raggiunta grazie alla velocità. Questa competizione, per ovvi motivi logistici e di budget dei partecipanti, esiste in tre differenti continenti: in Europa, che quest’anno arriva al traguardo della 30^a edizione, Asia ed America, queste ultime due storicamente più giovani. Il Team H₂politO prende parte alla Shell Eco-marathon Europe che si svolge da quattro anni nel circuito cittadino realizzato attorno all’Ahoy Arena di Rotterdam (Paesi Bassi) con i suoi veicoli IDRA e XAM, presentati le scorse settimane all’interno di questo blog.

La Formula E, neonata nell’elenco dei campionati FIA, è la prima competizione di velocità per monoposto totalmente elettriche che, introdotta nel settembre di quest’anno, correrà nel “cuore” di alcune delle più grandi città del mondo tra cui: Londra, Pechino e Miami. L’obiettivo di questa gara è, come da tradizione nelle competizioni motoristiche, stimolare lo sviluppo di nuove soluzioni per auto stradali partendo dall’esperienza della pista. Nello specifico, trattandosi di auto elettriche, la Formula E si prefigge di stimolare l’interesse e la ricerca in questo particolare ambito, sensibilizzando il grande pubblico alle tematiche della mobilità sostenibile.

Ed è proprio questo obiettivo che, secondo il Team H₂politO, lega profondamente le due competizioni. Anche la Shell Eco-marathon, infatti, si propone di “continuare ad alimentare il dibattito sul futuro della mobilità e ispirare gli studenti a spingere sempre più lontano i confini dell’efficienza energetica. E uno dei nostri contributi è la continua revisione e aggiornamento delle regole della competizione, che riflette le nuove tendenze sia nel settore automobilistico che in quello delle compagnie energetiche”. Inoltre, oltre alla competizione, la Shell e le aziende partner della Shell Eco-marathon organizzano, nei luoghi e nei giorni dell’evento, un’esposizione denominata Shell Energy Lab, in cui visitatori di ogni età vengono coinvolti in attività che rappresentano un viaggio educativo nel futuro dell’energia, tecnologia e mobilità.

Il confronto tra il video di lancio della Formula E e quello del Team H2politO 

usato per la candidatura al Communication Award della Shell Eco-marathon 2014

Le differenze nei contenuti tecnici con cui le due competizioni  si prefiggono di arrivare al comune obiettivo sono, ovviamente, completamente differenti.

La Formula E, per il suo primo anno di competizioni, ha infatti scelto una macchina unica,  la Spark-Renault SRT_01E, con cui i diversi concorrenti si metteranno alla prova. Una monoposto spinta da due motori elettrici McLaren Electronics Systems, leader nel settore del motorsport, che insieme alle batterie fornite da Williams Advanced Engineering, parte del gruppo Williams che include anche il prestigioso team di F1, forniscono una potenza massima di 200 kW (270 CV) in qualifica, mentre in gara la potenza viene ridotta a 150 kW (202.5 CV) per garantire la massima durata in gara e che può essere portata a 180 kW (243 CV) per 5 secondi  al giro per mezzo di un’innovativa interazione con i social networks, che permette al pubblico di interagire con la gara votando per il proprio pilota preferito. Nonostante questa riduzione di potenza il pilota è obbligato dal regolamento a fermarsi ai box per cambiare auto durante la gara, creando quindi interessanti spunti sulla strategia di gara e sulla gestione dei motori elettrici, capaci di prestazioni di tutto rispetto: accelerazione 0-100 km/h in 3 secondi e velocità di punta di 225 km/h, e tutto senza emettere un grammo di CO₂. Grande attenzione è stata anche dedicata all’aerodinamica, studiata ad hoc per favorire i sorpassi, al telaio e alla carrozzeria. Questi ultimi, progettati dalla celebre azienda italiana Dallara, sono conformi agli stessi standard di sicurezza della Formula 1 e realizzati in alluminio, fibra di carbonio e kevlar, garantendo eccezionali risultati in materia di riduzione di peso.

La Spark-Renault SRT_01E

Come anticipato questa è stata la scelta per il primo anno di attività, dalla prossima stagione il “circus” della Formula E potrà aprirsi a nuove scelte progettuali  volte maggiormente alla competizione ingegneristica. Non si è che all’inizio di una nuova specie di competizioni di velocità.

La Formula E a Londra

Le vetture impegnate alla Shell Eco-marathon sono invece sono profondamente diverse. Innanzitutto alla competizione prendono parte due diverse categorie di vetture: prototipi, vetture estreme come la nostra IDRA, e Urban Concept simili a XAM, ed entrambe le categorie si suddividono ulteriormente in base all’alimentazione. Vi sono infatti : motori a combustione interna,  ibridi e non di cui per combustibile Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) ovvero veicoli a benzina, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% Bio-Etanolo di seconda generazione, ovvero di derivazione da scarti di produzioni alimentari, Shell Gas to Liquid, CNG, gas naturale simile al metano, e veicoli elettrici alimentati a batterie o ad idrogeno. Data la grande varietà di possibili motorizzazioni e la libertà regolamentare data dal regolamento della Shell Eco-marathon si ha un’incredibile varietà di soluzioni stilistiche e tecniche, messe in campo dai futuri progettisti, ingegneri e tecnici che partecipano in qualità di studenti alla gara.

IDRA (sinistra) e XAM (destra) alla Shell Eco-marathon

Il format della competizione gara è fatto per essere rappresentativo per un veicolo in marcia in una grande città, dunque la velocità media è di circa 25 km/h, tipica di un grande centro urbano. Questa velocità impone il tempo massimo di gara, i partecipanti devono infatti percorrere i 16,117 km del tracciato in meno di 39 minuti, pena cancellazione del risultato. E attenzione, qui non si parla di chi taglia per primo il traguardo o di chi raggiunge la maggiore velocità, il risultato in classifica è dato dal consumo energetico equivalente misurato in km per litro di benzina, oppure in km/kWh,in modo da confrontare anche diverse categorie. Diventa dunque di fondamentale importanza la strategia di gara, oltre alla validità del progetto, curata come ogni aspetto tecnico dai ragazzi del nostro Team, che comunicano costantemente con il pilota per fornirgli le indicazioni necessarie, proprio come succede in un Team di Formula E.  Il più efficiente vince, con un premio dedicato ad ogni fonte di energia e categoria. Non si pensi che, data la bassa velocità e le “prestazioni” apparentemente  inferiori rispetto a veicoli da competizioni velocistiche, sia una gara poco appassionante. I partecipanti vivono ogni singolo run di gara (4 i tentativi disponibili in 3 sessioni di gara) con il cuore in gola, e sono i 39 minuti più lunghi che abbiano mai vissuto.

Profonde differenze ma un obiettivo in comune dunque, lavorare insieme per una mobilità sostenibile, contro l’inquinamento e il congestionamento delle nostre città, verso un mondo migliore e più pulito, anche se con metodi diversi. Il Team H₂politO è impegnato, con la Shell Eco-marathon, come  la Formula E per accelerare questo cambiamento. E voi?

Il Team H2politO alla Shell Eco-marathon 2014