IL LATO PIÙ LEGGERO DEL TRASPORTO PESANTE
I materiali compositi, come la ibra di carbonio, devono svolgere un ruolo cruciale se vogliamo riuscire ad abbassare le emissioni di anidride carbonica dei veicoli. i veicoli realizzati con materiali compositi sono più leggeri, pertanto consumano meno energia.I materiali compositi esistono già da molto tempo. Nel settore dell'aeronautica, i materiali compositi in fibra di carbonio sono parte integrante della fusoliera degli aeroplani da molti anni, insieme ad acciaio, alluminio e altri materiali. Nel settore navale si costruiscono imbarcazioni in fibra di vetro ormai da decenni.
Un materiale composito è un materiale con una struttura complessiva caratterizzata da livelli di qualità e resistenza superiori a quelli della somma dei singoli componenti.
I materiali compositi possono avere forme e dimensioni diverse, ma i più comuni sono costituiti da un rinforzo in fibra, che sostiene il carico, circondato da un materiale protettivo. Nei compositi in fibra di carbonio, le fibre di carbonio vengono intrecciate secondo schemi diversi a seconda delle proprietà desiderate per il materiale e quindi rinforzate con plastica, che protegge la fibra e mantiene fermo il materiale.
"Nella maggior parte dei casi, si utilizza un materiale composito per ridurre il peso di una struttura mobile al fine di limitarne il consumo energetico", afferma Malin Åkermo, Professore associato di strutture leggere presso il dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Istituto Reale di Tecnologia (KTH, Kungliga Tekniska Högskolan) di Stoccolma.
Il problema dei materiali come la fibra di carbonio è sempre stato il costo delle materie prime, per cui il materiale composito finito risulta molto più costoso della maggior parte dei metalli. Tuttavia, grazie alle nuove tecniche di produzione i costi stanno scendendo, a mano a mano che aumenta l'utilizzo di prodotti di largo consumo nelle varie parti del mondo.
"La produzione su vasta scala di compositi in fibra di carbonio è una realtà molto recente", afferma Åkermo. "Tuttavia, negli ultimi anni abbiamo assistito a un rapido aumento della produzione in paesi quali Germania e Regno Unito. Anche in Svezia i produttori stanno iniziando a realizzare componenti in fibra di carbonio per le automobili".
Åkermo spiega che la domanda limitata è una delle cause principali degli alti costi di produzione della fibra di carbonio.
"Fino ad ora, la riduzione dei consumi di carburante non è stata sufficiente a giustificare il costo associato alla riduzione del peso dell'auto, per i produttori. Tuttavia, in seguito all'emanazione di normative europee più severe sulle emissioni, assisteremo ad un aumento di produzione".
Ma il peso inferiore è solo uno dei tanti vantaggi offerti dai materiali compositi. Quando si costruisce un materiale completamente nuovo, si ha l'occasione di introdurre nuove caratteristiche direttamente nel materiale.
"Al momento, l'applicazione futura più interessante è costituita dall'uso di materiali multi-funzionali", afferma Åkermo.
"Ad esempio, io uso spesso le batterie strutturali. La fibra di carbonio può essere arricchita con ioni di litio e, con il tipo di plastica adatto, è possibile creare un materiale in grado di sostenere il carico e al tempo stesso di funzionare come batteria.
"Un altro esempio è costituito dal racimolo dell'energia (energy harvesting). Possiamo incorporare nel materiale composito attuatori che convertono vibrazione e movimento in energia. Durante il volo, le ali dell'aereo si muovono lievemente in su e in giù. Potremmo sfruttare questa energia ad esempio per alimentare l'impianto di condizionamento dell'aria del velivolo, integrando intelligenza nel prodotto".
I metodi di costruzione richiesti per i materiali compositi sono completamente diversi da quelli utilizzati per acciaio e alluminio. Ad esempio, la foratura di un materiale composito è una questione molto più delicata.
"Per praticare un foro in un materiale composito, occorre forare plastica e fibra contemporaneamente", spiega Åkermo. "Poiché questi materiali non hanno la stessa rigidità, è facile danneggiare la plastica, che è molto più tenera. Inoltre, se si applica una pressione eccessiva si formano crepe tra gli strati".
La dolcezza delle materie plastiche impedisce inoltre di utilizzare dadi e bulloni con le stesse modalità utilizzate per acciaio o alluminio.
"Per unire due pezzi di metallo, in genere si utilizza una chiave dinamometrica per applicare una determinata pressione sopra il foro. Tuttavia, con i compositi non è possibile garantire tale pressione a causa dello scivolamento [piccolo movimento], pertanto occorre utilizzare un giunto a vite con dadi e rondelle, per sostenere la struttura evitando l'attrito con il materiale".
Il settore automobilistico ha optato per l'incollamento dei materiali, al posto della foratura. In alternativa, è possibile realizzare direttamente parti integrate con dimensioni e qualità superiori, per evitare di doverle unire.
In effetti i ricercatori Volvo stanno cercando un equilibrio perfetto tra complessità e dimensione, per consentire la realizzazione di componenti economicamente vantaggiosi.
"Sono stati condotti alcuni esperimenti sulla realizzazione della scocca dell'auto in un solo pezzo, ma il problema è che occorre una pressa enorme", afferma Åkermo.
I produttori di automobili che desiderano realizzare auto in fibra di carbonio possono introdurre parti in fibra di carbonio nelle auto più costose, per comprendere e perfezionare il processo di produzione.
"BMW ha realizzato la i3, che è molto più costosa delle altre ma è realizzata principalmente con compositi in fibra di carbonio. Ora BMW sta incorporando la fibra di carbonio negli elementi di base di alcuni altri modelli", afferma Åkermo.
Nel settore dei trasporti, sempre in rapida evoluzione, la realizzazione di veicoli più intelligenti e sostenibili costituisce senza dubbio un passo essenziale per la riduzione delle emissioni e dei consumi energetici.
Se l'uso dei materiali compositi è destinato ad aumentare, possiamo aspettarci un futuro all'insegna di macchine e dispositivi intrinsecamente intelligenti.
