I modellisti di aerei elettrici: erano dei pionieri?

All’inizio, negli anni ’60 del secolo scorso, nell’immaginario collettivo erano semplicemente dei pazzi che cercavano di far volare piccoli velivoli con batterie pesantissime e motori elettrici deboli, sempre al limite delle loro prestazioni. L’unica cosa di cui potevano essere certi era uno sguardo di compassione da parte dei compagni di volo o le loro battute sarcastiche quando, ancora una volta, il tentativo falliva.

Una sorta di masochismo animato dalla passione per la tecnica era probabilmente il presupposto per non mollare e andare avanti. Che l’idea sia sopravvissuta nel mondo del modellismo e che alla fine sia diventata una storia di successo, oggi nessuno ne dubita più. In alcuni dei nostri campi, i motori a combustione interna sono ormai considerati una rarità, anche se – bisogna ammetterlo – ciò è talvolta da attribuire alla frenesia normativa e restrittiva delle nostre autorità piuttosto che a convinzioni tecniche tra gli appassionati di aeromodellismo. Resta comunque indiscutibile che, grazie ai motori brushless e alle batterie LiPo, i propulsori elettrici si siano ormai affermati in tutte le discipline del modellismo e, se utilizzati in modo ragionevolmente corretto, soddisfino praticamente ogni esigenza in termini di prestazioni.

Dall’inizio del XXI secolo circolano, prima in Cina e poi anche negli Stati Uniti e in Europa, riflessioni sempre più serie sull’elettrificazione del traffico automobilistico. Dal punto di vista tecnico, il fattore scatenante è stato probabilmente l’avvio della produzione in serie e di massa di un nuovo tipo di batteria: le batterie agli ioni di litio con celle di dimensioni 18650 (18 mm di diametro, 65 mm di lunghezza). Sorprendentemente, per quanto riguarda le dimensioni esterne, la cella non ha subito alcuna modifica fino ad oggi, ormai quasi tre decenni dopo. Anche la struttura interna è, in linea di principio, sempre la stessa. Ci è voluto circa un decennio prima che diventasse adatta alle correnti elevate (gli appassionati di aeromodellismo la conoscono con il nome di Konion). Anche la capacità è aumentata nel corso della sua evoluzione. Non di molto, tra l’altro, ma comunque dai 1200 mAh iniziali al triplo di oggi. Lo sviluppo in questo settore richiede semplicemente tempo.

Nel 2015 il dibattito sull’auto elettrica ha assunto una svolta completamente nuova. Essa non deriva tanto dalle nuove innovazioni tecniche quanto dal noto scandalo dei motori diesel della Volkswagen. E dal 2018 nessuna persona attenta al futuro può più eludere la moderna domanda cruciale: «Qual è la tua posizione sul clima?».

Ciononostante, la nuova tecnologia di propulsione a emissioni zero (a livello locale) incontra ancora molto scetticismo. E non solo tra i fanatici del rombo dei tubi di scarico e della benzina, non solo tra gli addetti ai lavori nel «paese dell’auto» Germania, che probabilmente non a torto temono per i propri posti di lavoro, né solo tra gli investitori in azioni automobilistiche che da un giorno all’altro si sono ritrovati più poveri. No, sono scienziati seri che, sulla base di dati e fatti, esprimono il timore che nell’ex paese del miracolo economico anche la transizione dei trasporti, avviata in modo brusco, possa rivelarsi costosa o addirittura «andare a rotoli».

Ciò suscita naturalmente, a prima vista, una domanda che può sembrare ingenua: perché le esperienze positive su piccola scala (tecnologia dei modelli) non sembrano poter essere trasferite su larga scala (il resto della mobilità)? E – sorvolando mentalmente sulla fase di transizione – se a livello mondiale (solo così ha senso!) sarebbe affatto possibile e auspicabile alimentare gran parte del trasporto pubblico con energia elettrica, anche se questa – non c’è da vergognarsi di sognare – fosse disponibile in quantità sufficienti e provenisse in gran parte da fonti rinnovabili.

I motori elettrici sono dei veri maestri nell’utilizzo dell’energia. Anche in scala ridotta, trasformano fino al 93% dell’energia immessa in velocità e coppia. Nelle automobili, dove tutto è di dimensioni molto maggiori, il rendimento tipico si attesta a oltre il 98%, un dato simile ai risultati delle elezioni nel blocco dell’Est. Ciononostante, i motori devono essere raffreddati, poiché anche con una potenza in ingresso di soli 100 kilowatt (kW) occorre dissipare fino a 2 kW, pari alla potenza di un termoventilatore. Non è un problema, poiché d’altronde in inverno non si vorrebbe dover riscaldare la casa utilizzando esclusivamente l’elettricità. In questo modo, il motore di trazione fornisce, come effetto collaterale, l’energia necessaria per il funzionamento della pompa di calore integrata nel sistema di riscaldamento dell’auto. E rispetto alle sue controparti che emettono CO₂, NOx e polveri sottili – le quali, a seconda del carico di lavoro, trasformano dal 60 al 90% dell’energia petrolchimica immessa in aria calda – anche un motore elettrico «scadente» fa comunque una bella figura. Le percentuali migliorano ulteriormente a favore del motore elettrico durante la guida a passo d’uomo in centro città – oggi in molti luoghi più la regola che l’eccezione. Ed è ormai ben noto che il motore elettrico recupera energia in fase di decelerazione (recupero di energia) e quindi preserva anche i freni. È quasi superfluo aggiungere che nell’era della mobilità elettrica il concetto di «accelerazione» ha potuto essere ridefinito. No, il problema non può essere il motore,

se la mobilità elettrica, con percentuali di immatricolazioni nella fascia bassa a una cifra, non riesce a decollare. Il motore elettrico continua tuttavia ad avere un potenziale di sviluppo, anche se non tanto in termini di efficienza e prestazioni, quanto piuttosto dal punto di vista dei costi.

Come ricorderete, questo termine era già in uso nel mondo dell’aeromodellismo quando si trattò di sostituire la vecchia tecnologia di telecomando a onde corte (27, 35 o 40 MHz) con la moderna tecnologia a 2,4 GHz. Il risultato è noto; la paura che all’epoca dilagava è oggi del tutto incomprensibile. Resta da vedere se ciò accadrà anche per le auto elettriche nel prossimo futuro. Certo, un’auto elettrica in grado di percorrere l’autostrada A7 da Kempten a Flensburg senza fermarsi a fare rifornimento non è ancora all’orizzonte, a meno che non si riempiano – analogamente ai serbatoi ausiliari degli aerei – anche due box da tetto con batterie. Anche in questo caso, la motivazione è ormai di dominio pubblico: le batterie agli ioni di litio del formato 18650 menzionato all’inizio, che si trovano a migliaia nel pianale di un’auto elettrica, raggiungono oggi una densità energetica di circa 200 wattora per chilo (Wh/kg) di peso della batteria. Si tratta di un valore nominale superiore a quello delle nostre LiPo, che di solito si accontentano di circa 150 Wh/kg, ma possono funzionare quasi «a nudo» nel loro arioso involucro di velcro, mentre la batteria di trazione dell’auto necessita di un involucro protettivo che include liquido di raffreddamento ed elettronica di protezione. Il risultato finale non è poi così diverso. Le LiPo sono inoltre progettate per sopportare carichi elevati

e pagano questa potenza con una durata di vita compresa tra soli 50 e 200 cicli di ricarica – un dato indiscutibile per le applicazioni commerciali. E mentre il pilota medio, dopo otto-dieci minuti di manovre acrobatiche forzate, è già sopraffatto dalla nostalgia della pista di atterraggio, il conducente di un’auto elettrica ha appena raggiunto lo svincolo autostradale. La durata di funzionamento limitata è quindi, nel caso di questo hobby, probabilmente la chiave del segreto del successo e, al contempo, l’altro problema. È di scarsa consolazione sapere che oggi la distanza media percorsa da un’auto è di soli 40 chilometri.

I combustibili fossili come il diesel o la benzina, con i loro 12.000-13.000 Wh/kg, fanno semplicemente meglio. È tutta un’altra categoria, e ciò non sminuisce il fatto che i motori corrispondenti possano sfruttarne in modo efficiente solo una piccola frazione. Chi ora sfoglia le tabelle sulla densità energetica si imbatte rapidamente nel leader della classifica, l’idrogeno ( $H^2$ ) con 33.000 Wh/kg, e ricorderà di aver sentito parlare dell’auto a celle a combustibile come alternativa libera dall’ansia da autonomia. Ebbene, purtroppo anche l’idrogeno, che pur essendo ecocompatibile...

L’idrogeno presenta due problemi simili a quelli dell’elettricità: in natura non si trova mai in una forma direttamente utilizzabile e deve essere prodotto con perdite. Infatti, anche se per la sua produzione si utilizza energia elettrica (da fonti rinnovabili), solo circa il 50% di essa viene convertito in idrogeno gassoso. La successiva riconversione dell’idrogeno gassoso in energia elettrica tramite celle a combustibile non offre risultati migliori. Anche in questo caso, metà dell’energia immessa si trasforma in calore, cosicché alla fine del processo rimane un rendimento complessivo del

25%. E anche se esperimenti più recenti promettono un miglioramento di qualche punto percentuale: il motore turbodiesel fa già meglio oggi!

Il secondo problema riguarda il trasporto e lo stoccaggio. Gli atomi di idrogeno, infatti, sono talmente piccoli da poter penetrare le pareti delle comuni bombole metalliche. Pertanto, oggi, per gli impieghi mobili ad alta pressione (fino a 700 bar), vengono racchiusi in contenitori speciali multistrato, il cui strato sigillante in plastica costituisce circa il 10% del peso del contenitore. Il restante 90% è

al rivestimento resistente alla pressione, costituito da fibre di vetro e di carbonio legate con resina epossidica. Questo composto riduce sì il peso dell’imballaggio, ma la sua produzione non è ecocompatibile e, ad oggi, la questione dello smaltimento non è stata risolta nemmeno in parte (cosa che, tra l’altro, vale anche per le pale dei rotori delle turbine eoliche, costruite con materiale simile). Poiché i gasdotti per l’idrogeno sono onerosi per i motivi sopra citati e sono considerati realizzabili solo in casi eccezionali, il gas deve quindi essere compresso con conseguenti perdite e trasportato in contenitori a pressione fino al punto di consegna. L’altra soluzione, che consiste nel liquefare il gas e poi trasportarlo in autocisterne a doppia parete fino al destinatario, sfrutta sì meglio le capacità di trasporto, ma comporta un consumo di energia primaria tre volte superiore a causa del raffreddamento. L’ideale sarebbero le stazioni di rifornimento di $H_2$, in cui il gas verrebbe prodotto in loco. Ciò presuppone però un surplus locale di energia primaria (energia eolica e/o solare). Una logistica di approvvigionamento di questo tipo non esiste ancora. Lo stoccaggio presso le stazioni di rifornimento avviene a media pressione (50 bar) e richiede quindi volumi di serbatoio relativamente grandi, solitamente sotto forma di serbatoi a torre. Di conseguenza, anche il processo di rifornimento dell’idrogeno comporta ulteriori perdite (alta compressione e raffreddamento). A differenza dell’elettricità, l’idrogeno è sì più facile da immagazzinare, ma richiede, anche in caso di stoccaggio ad alta pressione, un volume di stoccaggio nettamente superiore rispetto al gas naturale, alla benzina o al diesel, il che ne limita le applicazioni mobili. E chi non vuole ignorare del tutto i potenziali rischi insiti nell’idrogeno, può tranquillamente sfogliare la storia dei dirigibili.

Le affermazioni che precedono non intendono tuttavia decretare la fine della tecnologia a idrogeno, ma piuttosto chiarire che...

che la strada da percorrere sia ancora lunga. Per questo motivo, il saggio torna ora a concentrarsi sulla tecnologia delle batterie che, come dimostrano diverse soluzioni, in linea di principio funziona ed è sulla buona strada per ovviare, almeno in parte, al tallone d’Achille rappresentato dalla scarsa autonomia.

Chi legge titoli del genere dovrebbe semplicemente passare oltre. La cella agli ioni di litio della Sony citata all’inizio e tutto ciò che ne è seguito dalla Corea del Sud e dalla Cina hanno impiegato quasi due decenni per

diventare «adatte all’uso su strada» e in grado di ricaricarsi con una certa rapidità. I progressi in termini di resistenza interna, capacità e densità energetica si sono trascinati a passi da gamberi nel corso di decenni. La speranza di «risultati immediati» nella tecnologia delle batterie, ammesso che sia mai esistita, è oggi un’illusione. Che si continui a blaterare di batterie al sodio (una vecchia storia, ma non adatta alla mobilità) o che si elevi addirittura il docile magnesio metallico a portatore di speranza, non ha importanza. Anche se funzionassero in fase sperimentale, ci vorranno ancora decenni prima che batterie nuove, migliori o con una maggiore sicurezza di approvvigionamento siano pronte per il mercato.

Ci resta la collaudata batteria agli ioni di litio, che inaugurerà il futuro della mobilità elettrica e lo accompagnerà ancora per anni. Purtroppo non cresce sugli alberi. Le materie prime di cui è composta provengono da numerosi giacimenti sparsi in tutto il mondo e sono ormai oggetto di interessi economici geostrategici. Il successo della transizione verso la mobilità elettrica dipenderà quindi, più ancora che da ulteriori progressi tecnici, dalla disponibilità (e dall’accessibilità economica) delle seguenti materie prime: litio, cobalto e nichel per le batterie, oltre ai metalli delle terre rare

, nonché grandi quantità di rame per i motori e il collegamento delle colonnine di ricarica; infine il platino, qualora la cella a combustibile dovesse poi affermarsi. Purtroppo, tutte le sostanze citate godono di grande richiesta anche in altri settori industriali. Ad esempio, un terzo di tutta la produzione di litio è destinato all’industria del vetro e della ceramica. Il cobalto, notoriamente scarso, è indispensabile per la lavorazione dei metalli (costruzione di utensili). L’estrazione del cobalto si concentra nella Repubblica Democratica del Congo e non è esente da preoccupazioni etiche, poiché le condizioni di lavoro in quel Paese difficilmente corrispondono alle aspettative dei sindacati dell’Europa centrale. A proposito: quasi nessuna batteria (nemmeno quelle NiMH) oggi può fare completamente a meno del cobalto. È un peccato che questa risorsa, che si sta rivelando limitata, venga sprecata da anni in ogni sorta di applicazione di poco valore, come ad esempio le economiche lampade solari da giardino. Sono in corso tentativi di sostituire questo collaudato metallo di transizione con manganese o nichel, con il nichel che sta acquisendo sempre maggiore importanza. Anche il nichel, in quanto componente fondamentale delle leghe (acciaio inossidabile), rientra tra i metalli più richiesti.

Le terre rare – indispensabili per la produzione di magneti – sono, contrariamente a quanto suggerisce il loro nome, in realtà non così rare nella crosta terrestre. Il fatto che oggi l’85% di esse provenga comunque dalla Cina è legato all’intelligente politica economica adottata dai cinesi negli anni ’90: in un primo momento il mercato è stato inondato di offerte a basso costo, cosicché altri giacimenti sono stati presto abbandonati in quanto non redditizi. Da circa 10 anni si osserva un continuo aumento dei prezzi. Tesla rinuncia quindi ai magneti permanenti nel modello S e utilizza invece rotori asincroni privi di magneti. Tali motori elettrici sono sì leggermente più grandi

e più pesante, ma a quanto pare così si va sul sicuro.

Anche il platino e i metalli del gruppo del platino, come il palladio o il rodio, provengono per l’85% dalla Cina. Un incredibile 35% di questi viene utilizzato per mantenere l’armonia familiare e viene assorbito dall’industria della gioielleria. Finora la maggior parte è finita nei catalizzatori di scarico e, in caso di transizione energetica nel settore dei trasporti, potrebbe essere reindirizzata verso le celle a combustibile.

Per quanto riguarda il rame, la cui importanza nel settore elettrico non ha bisogno di ulteriori spiegazioni, l’andamento al rialzo dei prezzi degli ultimi anni ha anche favorito una tendenza positiva: la quota di riciclaggio

è aumentato in modo molto drastico. Forse questa è l’occasione per gli europei di investire in tecnologie che consentano di recuperare anche le materie prime più difficili da separare dalle vecchie batterie, al fine, da un lato, di ridurre la dipendenza dalle importazioni, ma anche di affermarsi in un settore in cui il vantaggio dell’Asia orientale non ha ancora spento ogni speranza. E l’ambiente ne trarrà beneficio.

Rimane ancora la preoccupazione per il tanto discusso litio, che, come è noto, viene estratto dai laghi salati degli altipiani andini. Questo tipo di estrazione è molto redditizio, poiché il sale di litio può essere ottenuto mediante energia solare attraverso una disidratazione graduale e con un elevato grado di purezza

. L’impatto ambientale che ne deriva, dovuto alla maggiore evaporazione dell’acqua a livello locale e al conseguente abbassamento della falda freatica, è recentemente oggetto di crescenti critiche. Pochi sanno che nel 2015 in Australia è stato estratto quasi lo stesso quantitativo di litio che in Argentina e Cile messi insieme, sebbene sotto forma del minerale spodumene, che richiede un processo di lavorazione nettamente più complesso. Giacimenti simili si trovano in Canada. E ancora una buona notizia: la Cina, con solo il 6% della produzione mondiale, si colloca finalmente tra i «comproverbi». Le case automobilistiche tedesche

stanno attualmente investendo ingenti somme per assicurarsi l’approvvigionamento di litio per una futura produzione occidentale di batterie. Tuttavia, ovunque ci si trova ad affrontare il ben noto dilemma del «coniglio e del riccio»: l’altro è sempre già lì.

No, l’affermazione secondo cui i modellisti di aerei elettrici sarebbero dei pionieri non è del tutto corretta, nonostante l’innegabile merito di aver contribuito, attraverso la ricerca privata, alla diffusione di una tecnologia all’avanguardia. La sfida globale di una futura transizione verso la mobilità elettrica risiederà probabilmente più nella logistica dell’energia e delle materie prime. Ciò richiede quindi idee di natura tecnica, ma soprattutto di politica economica globale. Molti dubitano che un’UE frammentata al suo interno abbia buone carte da giocare di fronte ai giganti economici Cina e Stati Uniti, che combattono senza esclusione di colpi. La Germania, da sempre patria dell’automobile, dovrà senza dubbio affrontare gli sforzi maggiori, soprattutto se la Cina dovesse avere l’idea, in realtà piuttosto ovvia, di fornirci a breve termine le batterie agli ioni di litio e i magneti alle terre rare solo già integrati nella parte inferiore delle auto «made in China».

Guardiamo il lato positivo. La mobilità elettrica generalizzata arriverà gradualmente. Non cambierà radicalmente la nostra vita, ma in alcuni luoghi consentirà di guidare nuovamente dove finora era limitato o addirittura vietato. Il passaggio alla trazione elettrica nei campi di volo per aeromodelli non ha forse riscosso un successo simile in molti luoghi? Beh, allora la nostra idea di «Silent Flight» non sarebbe poi così fuori strada!

Ludwig Retzbach

Fonte: I dati economici provengono dallo studio «Material-Studie_e-mobilBW»