Progetto Aeromat: un drone a idrogeno per la sicurezza aerea

L’aeroporto di Catania risente da sempre della circostante presenza vulcanica che determina una cospicua diffusione nell’aria di cenere, motivo di enorme disagio per i passeggeri nonché di forte impatto sulla sicurezza del traffico aereo. Cercare una soluzione era prioritario. Ed è qui che si inserisce il progetto Aeromat: focalizzato sul binomio aviazione-sicurezza, ha come obiettivo principale lo sviluppo di soluzioni tecnologiche innovative nei settori della modellistica ambientale applicata all’aviazione, dei materiali da costruzione e dei dispositivi impiegati in Unmanned Aerial Vehicles (UAV), con specifico riferimento agli aeroporti di Catania, Comiso, Reggio Calabria e Napoli.

Si intende sviluppare un sistema di modellizzazione integrato, finalizzato a fornire dati che consentano di ottimizzare l’operatività aeroportuale in relazione a fenomeni come il deposito al suolo di polveri vulcaniche. Questo sistema integrerà dati vulcanologici con dati meteorologici, previsti da modelli ad alta risoluzione, allo scopo di ottenere sia la previsione di fenomeni atmosferici pericolosi (quali grandine, turbolenze e wind-shear), sia stime quantitative sul trasporto di polveri sottili, sabbie desertiche e ceneri vulcaniche, in atmosfera e come deposito al suolo.

Ma, una volta sviluppati questi modelli, in che modo verranno testati? È necessario avere a disposizione uno strumento che riesca a raggiungere alte quote senza subire danni. Si è optato per la realizzazione di un drone a idrogeno. Abbiamo incontrato Matilde Pietrafesa, responsabile scientifico dell’Università Mediterranea di Reggio Calabria, e Massimo Perotti, CEO di Eurodrone, entrambi in prima linea nel progetto.

Progetto Aeromat, di cosa si tratta e che ruolo avete al suo interno?

Matilde Pietrafesa: «Il Progetto Aeromat coinvolge diverse università meridionali: Napoli Partenope, l’Università di Messina, l’Università Mediterranea di Reggio Calabria, l’Università di Cassino e diversi enti di ricerca o aziende, come un consorzio per la ricerca sul riciclaggo della plastica (Proplast), l’Istituto Nazionale di geofisica e vulcanologia e l’Aeroporto di Catania. Personalmente, sono il responsabile scientifico della Mediterranea di Reggio Calabria.

Il progetto nasce da un’esigenza forte dell’aeroporto di Catania, vicino al quale, come sappiamo, si trova un vulcano molto attivo. Gas e ceneri vulcaniche rappresentano uno dei maggiori rischi per il traffico aereo, motivo per cui l’aeroporto ha l’esigenza di disporre di modelli di previsione della diffusione di questi inquinanti più accurati rispetto a quelli attualmente in uso, che non danno risultati molto soddisfacenti. L’attività di ricerca è stata suddivisa tra i vari membri del team e l’Università di Messina si è occupata di sviluppare nuovi modelli, accoppiati metereologici e di diffusione degli inquinanti, chiamati WRF-Chem. Una volta sviluppati questi modelli, era necessario trovare una modalità per testarli. Serviva uno strumento capace di arrivare nella nube vulcanica. Avevo proposto la soluzione del drone a idrogeno e, alla fine, è stata considerata l’unica opzione ragionevole. Serviva qualcuno che ci aiutasse nella fase di sviluppo del drone e, tramite un collega, siamo arrivati a Eurodrone. È iniziata così questa bellissima avventura, ancora non conclusa.

Noi abbiamo dato e finanziato l’idea, ma la parte pratica è stata tutta nelle mani di Eurodrone. Hanno realizzato un modellino in scala e su questo non ci sono state criticità, ovviamente non con motore a idrogeno perché sarebbe stato troppo costoso. Ora stiamo passando al modello vero e proprio, che è quasi pronto ma le difficoltà si incontrano proprio sulla fuel cell e sull’idrogeno».

Massimo Perotti: «Il progetto era ambizioso, si trattava di volare a 6.000 metri dove l’aria è rarefatta, non si può garantire che una fuel cell a quell’altezza possa funzionare perché, per farlo, ha bisogno di una certa percentuale di ossigeno, se questa viene meno la fuel cell smette di funzionare e il drone precipita. La sfida ingegneristica principale è stata trovare un drone piccolo che potesse essere facilmente trasportabile, quindi disassemblabile, che potesse stare all’interno di un’utilitaria e che avesse questo tipo di performance operativa per volare un tot. di ore ad alta quota.

Il prototipo è nato incontrando un bel po’ di difficoltà, sono state fatte modifiche in corso d’opera, soprattutto sulle ali e sui piani di coda che permettevano di far funzionare la macchina. Fatto questo, ora siamo in dirittura d’arrivo: stiamo creando la fusoliera per installare dentro la fuel cell e il serbatoio per l’idrogeno sul modello grande di drone, da 4.40 metri di apertura alare. Inoltre, ci sono non pochi problemi burocratici: ci siamo scontrati brutalmente con un ambiente che grida all’ecologia dei prodotti, ma poi non dà l’opportunità di farli funzionare, perché all’interno della comunità europea esistono degli standard di sicurezza che non sono stati accettati da tutti gli stati membri, motivo per cui stiamo cercando delle soluzioni valide per l’Italia».

Ci spieghi meglio qual è il problema.

Massimo Perotti: «I produttori di idrogeno in Italia sono tre e tutti hanno risposto che avrebbero caricato volentieri il serbatoio, ma non con la tecnologia fuel cell, che è standard in tutta Europa, ma non in Italia dove non è stata ancora recepita la norma. Detto ciò, noi saremo penso i primi al mondo a far volare la cella a idrogeno a quel tipo di altezza. Siamo andati in Inghilterra, perché erano gli unici ad aver effettuato un test di resistenza di questo tipo di cella a determinate altezze (5950 mt), attraverso la camera iperbarica, e poi perché erano gli unici ad avere un prezzo accettabile dato che il costo di una fuel cell in Italia è impensabile, supera i 70.000 euro».

Qual è la differenza tra una batteria lipo e una fuel cell?

Matilde Pietrafesa: «Cambia tutto. La batteria lipo è un sistema consolidato, nonché il più diffuso, basti pensare a chi vuole mettere un impianto fotovoltaico a casa e vuole tenere da parte un po’ di energia, usa le batterie. Proprio per via del fatto che la batteria non è pulita, ci sono problemi di smaltimento, c’è un tema di rifornimento poco ecologico di alcuni elementi essenziali e, quindi, si cerca di trovare un sistema di accumulo diverso, nuovo.

Non è noto a tutti quanto sia versatile l’idrogeno, ha tante funzioni: per esempio, può essere usato in un’auto a combustione interna anche miscelato con il metano, può essere usato come combustibile bruciandolo, oppure all’interno della fuel cell. La fuel cell produce energia elettrica, quindi l’idrogeno è sì un combustibile, ma non viene bruciato, sviluppa delle reazioni chimiche per produrre energia elettrica.

E ancora l’idrogeno può essere considerato un sistema di accumulo: mettiamo caso che ho una fonte rinnovabile che pecca di discontinuità, perciò ho il sole di giorno, ma necessito di energia la sera. Dovrò metterla da parte. Una possibilità per farlo sarebbe quella di usare l’idrogeno come sistema di accumulo. In che modo? Dall’energia solare, che alimenta pannelli fotovoltaici, si ottiene energia elettrica che si manda all’acqua per ottenere idrogeno; dopodiché l’idrogeno lo rimandiamo alla fuel cell e otteniamo energia elettrica e, così facendo, è come se l’avessimo messa da parte. Nei vari passaggi, sicuramente, andiamo a perdere parte dell’energia, ma è comunque vantaggioso, oltre che pulitissimo».

Massimo Perotti: «Da un punto di vista tecnico una fuel cell è molto più efficiente di una batteria lipo: dieci kg di batterie alimentano il drone per tre/quattro ore, mentre nove kg di idrogeno lo alimentano per nove ore. Riusciamo ad ottimizzare meglio l’utilizzo, ma ad avere un’efficienza in termini energetici molto elevata. Questo non significa che il drone non debba avere anche batterie, perché per qualsiasi problema legato alla fuel cell, devono essere pronte a intervenire. Perciò ci sono per le emergenze, per sopperire a picchi di richiesta del motore qualora ce ne fosse bisogno e per il decollo, dal momento che il drone durante il picco parte a batteria e poi si sposta sull’idrogeno».

Quali sono i pericoli che si riscontrano a volare su un vulcano?

Massimo Perotti: «Quando si parla di vulcano si pensa al calore, ma in realtà le problematiche sono altre come, ad esempio, le correnti d’aria che si generano e le polveri che svolazzano nell’aria fortemente abrasive, in grado di consumare un’elica di un aereo standard in poco più di mezz’ora. Questa è la vera sfida. Motivo per cui il telaio del drone che stiamo realizzando non è di plastica, ma in fibra, quindi carbonio e keblar, proprio per far sì che, oltre alla resistenza strutturale data dal carbonio, ci sia anche un’elasticità e una resistenza alle abrasioni data dalla fibra di keblar inserita all’interno della struttura della macchina».

Quali sono le caratteristiche del drone che state realizzando?

Massimo Perotti: «La macchina è larga circa 4.40 metri per 2 metri di lunghezza. È alimentata da un motore elettrico aiutato da fuel cell e batterie posteriore, quindi un motore a spinta. Ha una velocità volutamente bassa, si aggira tra i 20 e i 32 metri al secondo. Nella massima performance operativa raggiungerà le 12 ore di autonomia e l’altezza massima per cui è progettato per volare è di 6000 metri. I materiali utilizzati sono in parte nobili, quindi carbonio e resine fossiliche per poter garantire una tenuta all’abrasione, strutture interne alle ali in legno, per garantire la massima leggerezza, legno rivestito da fogli di carbonio, al fine di poter garantire massima resistenza alle torsioni. Qualunque drone potrà lavorare sia a fuel cell che a batteria, ovviamente il primo garantisce una maggiore performance e autonomia rispetto all’altro, che va bene come riserva, ma non per fare voli in maniera pianificata e continuativa.

La ricaduta di questo progetto sarà molto importante perché potrà garantire la sicurezza dell’aviazione civile in aree dove ci sono eruzioni vulcaniche in corso, non solo in Italia, ma in tutto il mondo. Infatti, pur non essendo una nube visibile, la percentuale di questo pulviscolo entra nei motori degli aerei portando malcontento sia tra i piloti che tra i passeggeri».

In quali altri settori sarà possibile sfruttare la tecnologia su cui state lavorando?

Matilde Pietrafesa: «Mentre progettavamo tutto questo, pensavamo a quali altri settori potessero usufruirne. Ci si è aperto un mondo. Le attività a cui potrebbe essere utile il progetto sono tutte quelle per cui serve volare ad alta quota per lungo tempo e, quindi, pensiamo al monitoraggio, alla sorveglianza, alla prevenzione di disastri naturali, al pronto soccorso e al trasporto di organi».

Massimo Perotti: «Lo scenario che si apre è pazzesco: dall’agricoltura alla valutazione della qualità dell’aria, dalla gestione delle coste a quella del dissesto idrogeologico. Oggi come oggi nemmeno un elicottero ha la performance operativa di questo drone, a un costo così contenuto. Si andrebbe, quindi, a creare un’alternativa vera e propria nell’attività aerea, soprattutto nell’ottica di lavorare sempre più al rispetto verso l’ambiente».

Quali sono i prossimi step del progetto?

Matilde Pietrafesa: «Come primo passo, trovare l’idrogeno, testare il fuel cell, metterlo sul drone, effettuare i primi voli a bassa quota e, poi, quelli ad alta quota, per cui serve l’autorizzazione dell’ENAC. Speriamo che ENAC valuti in maniera positiva il progetto che stiamo portando avanti finalizzato ad una delle loro mission aziendali, cioè garantire la sicurezza aerea».

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