di ANTONIOS G. STAMOPOULOS*
Tradizionalmente, sia nel mondo accademico che in quello industriale, i materiali compositi sono conosciuti per il loro superiore rapporto resistenza/peso e per la possibilità di produrre componenti con direzione delle fibre su misura per massimizzare il loro contributo alla prestazione meccanica del componente. In questo modo, i componenti realizzati con questi materiali si sono guadagnati il titolo di "strutture leggere" e sono considerati la soluzione più competitiva quando è necessaria una riduzione del peso senza che il comportamento strutturale complessivo ne risenta.
D'altra parte, recentemente si è assistito a un'enorme richiesta di carburanti alternativi in sostituzione di quelli tradizionali, per ridurre le emissioni e diminuire l'impronta di CO2 .
In questa direzione, l'idrogeno è considerato una soluzione interessante. Soprattutto nel campo dell'aviazione, si è osservato un enorme interesse verso l'idrogeno, come dimostrano anche i recenti bandi di ricerca Clean Aviation dell'UE. [https://www.clean-aviation.eu/], mentre un numero crescente di centri di ricerca o di aziende come la Universal Hydrogen [https://hydrogen.aero/] si impegnano a produrre soluzioni certificate per la mobilità a idrogeno. Un aspetto critico è però lo stoccaggio e il trasporto sicuro dell'H2. I recipienti a pressione esistenti hanno pressioni di esercizio fino a 350 bar, ma per motivi di sostenibilità, sono richieste pressioni più elevate, fino a 500 bar.
Il Tipo I è realizzato completamente in metallo con una coppia di celle a cupola, mentre il Tipo II è l'evoluzione del Tipo I che incorpora un involucro esterno in materiale composito (avvolto a cerchio) per aumentarne l'integrità strutturale. Il Tipo III, invece, incorpora un liner metallico con un involucro in composito in varie angolazioni (avvolgimento polare, elicoidale e a cerchio) che riceve più del 70% dei carichi applicati. Il Tipo IV è costituito da un liner in plastica che funge da deposito dell'idrogeno e, allo stesso tempo, come mandrino per l'avvolgimento della copertura in materiale composito.
La differenza significativa tra i due tipi è il peso; infatti, i tipi III e IV sono ideali per la mobilità in quanto pesano molto meno. Di tutte le configurazioni sopra elencate, il recipiente a pressione di tipo V è l'unico che non è stato ancora certificato da uno standard internazionale, mentre i tipi da I a IV sono fabbricati in conformità alla norma ISO 11439.
Per produrre i suddetti recipienti a pressione, il processo di avvolgimento dei filamenti è considerato il più semplice e versatile. Consiste in un mandrino rotante (in questo caso il liner) dove una testa mobile deposita il materiale composito preimpregnato. Possono essere utilizzati compositi a base di termoindurenti o termoplastici, a seconda dei requisiti. Inoltre, possono essere prodotti tubi o forme tubolari come quella vista in FIGURA 2.
L'Università degli Studi dell'Aquila partecipa a uno dei progetti (Smart Tow Winding) sotto il coordinamento di COMEC Innovative S.r.l., dove è attualmente in corso uno studio a 360 gradi per migliorare l'impregnazione e l'avvolgimento di queste strutture con la collaborazione di tre laboratori (Tecnologie meccaniche, Misure, Chimica applicata).
Il vantaggio della macchina per l'avvolgimento dei filamenti presente nella sede universitaria è il fatto che può trattare sia i preimpregnati sia impregnare le fibre prima della loro deposizione sul mandrino. L'obiettivo è quello di proporre soluzioni intelligenti dopo aver compreso il processo in termini di qualità del prodotto finale e di automazione che possono contribuire a velocizzare la procedura dalla progettazione alla produzione.
È evidente la necessità di soluzioni certificate e versatili per realizzare l'auspicata transizione verso carburanti più ecologici, per aumentare la sicurezza e per raggiungere un certo livello di circolarità delle strutture di stoccaggio. In questo caso, i materiali compositi rappresentano una soluzione interessante e danno un enorme impulso alla transizione verso l'era dell'idrogeno. I requisiti sono ben definiti, le soluzioni sono state proposte e la comunità scientifica, in collaborazione con il settore industriale, sta lavorando in questa direzione.
FIGURA 1: Tipici tipi di recipienti a pressione per lo stoccaggio e il trasporto di liquidi sotto pressione [ISO 11439: 2013: bombole per gas e bombole ad alta pressione per lo stoccaggio a bordo di gas naturale come combustibile per autoveicoli. Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) 2013
FIGURA 2: La macchina per l'avvolgimento di filamenti a 5 assi presente nell'Università degli Studi dell'Aquila
* Dr. Mechanical and Aeronautical Engineer/RTD/Lecturer
Department of Industrial and Information Engineering and Economy (DIIIE)
University of L’Aquila
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13 marzo 2023
