Ecologico ed Efficiente: Come i Motori Stirling Termoacustici stanno Cambiando il Gioco dell’Aerospazio

I Motori Stirling Termoacustici (TASE) potrebbero sembrare molto da digerire in una sola volta. Ma, in linea di principio, sono gli equivalenti acustici dei motori Stirling. Pertanto, prima di approfondire i TASE, dobbiamo iniziare con i motori Stirling.

Che cos'è un motore Stirling?

Il nome deriva dal suo inventore, il reverendo Robert Stirling, che ideò un motore a calore esterno molto diverso dai tradizionali motori a combustione interna usati nelle automobili. È diverso per l'uso del ciclo di agitazione, che presenta tre caratteristiche fondamentali.

• I gas utilizzati all'interno di un motore Stirling non lasciano mai il motore. A differenza dei motori a benzina o diesel, questi motori non hanno valvole di scarico per rilasciare gas ad alta pressione. Non si verificano nemmeno esplosioni. Di conseguenza, i motori Stirling sono molto silenziosi.
• Poiché non è un motore a combustione interna, richiede una fonte di calore esterna. E quella fonte di calore può essere la luce solare, il calore geotermico, la benzina o l'energia solare. Il calore può anche provenire da una pianta in decomposizione.
• Infine, tutto ciò che serve è un volano con una leggera rotazione per avviare il motore.

In questa tradizione di costruzione dei motori Stirling nasce i Motori Stirling Termoacustici o TASE, gli equivalenti acustici dei motori Stirling.

TASE: Gli Equivalenti Acustici dei Motori Stirling

I Motori Stirling Termoacustici hanno guadagnato slancio e trazione nel campo della ricerca scientifica grazie al loro basso costo di produzione, alta efficienza, caratteristiche senza manutenzione e capacità di avviamento autonomo.

Una delle categorie più popolari di Motori Stirling Termoacustici sono i Motori Stirling Termoacustici a Calore o TASHE. Questi dispositivi possono convertire il calore in energia acustica a un tasso di efficienza molto elevato. Il loro potenziale risiede nel fatto che non coinvolgono parti in movimento e i componenti sono relativamente semplici. Questi sistemi sono meno costosi da produrre e mantenere. Sono preferiti da molti come mezzo per generare energia pulita ed efficace.

Come Funzionano i TASHE?

Il processo di conversione dell'energia in questi motori avviene nel rigeneratore. Un rigeneratore è un blocco metallico poroso situato tra uno scambiatore di calore caldo (HHX) e uno scambiatore di calore freddo o ambientale. Tali posizioni alle due estremità aiutano a mantenere un gradiente medio di temperatura nella direzione assiale. Le onde acustiche che vi si propagano – con la fase corretta – possono essere amplificate da un processo termodinamico simile al ciclo Stirling.

Perché i Motori Stirling Termoacustici sono Benefici?

La scarsità di combustibili fossili è una sfida che l'umanità deve affrontare nel breve termine. I combustibili fossili non sono nemmeno benefici per la salute del pianeta e comportano una serie di problemi di sostenibilità.

Le comunità scientifiche hanno contemplato l'uso di fonti di carburante alternative, includendo energia solare, energia geotermica, biocarburanti/biomassa, radioisotopi e altro.

In questo scenario, i motori Stirling hanno mostrato buoni risultati grazie alla loro alta efficienza, ciclo termodinamico chiuso, funzionamento silenzioso, bassa vibrazione, lunga durata operativa e bassa manutenzione.

Potrebbero esserci due tipi di motori Stirling: quello convenzionale e quello avanzato.

L'Evoluzione dei Motori Stirling Termoacustici: Le Innovazioni e le Scoperte

Conoscere la storia dei TASE è fondamentale per capire come svolgono il loro scopo e qual è la natura della tecnologia.

Abbiamo già parlato delle onde acustiche che attraversano il gradiente tra gli scambiatori di calore caldo e freddo o ambientali su due lati.

Fino agli anni '80, l'efficienza della maggior parte dei progetti in questo campo tipicamente non superava il 5%. Segnando un punto di svolta nel 1979, una scoperta significativa fu raggiunta da Ceperley. Dimostrò che le onde progressive possono estrarre energia acustica in modo più efficiente, il che portò al concetto di progettazione dei TASHE a onda progressiva usati oggi.

Ciò che accade in questo schema più efficiente è che parte dell'energia acustica generata ritorna al rigeneratore tramite una forma di ciclo di retroazione e, in parte, è diretta verso un risonatore per l'estrazione dell'energia.

Il primo decennio del millennio ha visto ulteriori miglioramenti nella tecnologia alla base dei TASHE. Nel 2011, Tijani & Spolestra hanno progettato un TASHE a onda progressiva che ha raggiunto un'efficienza complessiva notevole del 49% del limite di Carnot. Per contestualizzare, il Limite di Carnot stabilisce un limite assoluto sull'efficienza con cui l'energia termica può essere trasformata in lavoro utile.

Nello developmen nel campo dei TASE, la Cina ha recentemente sviluppato un generatore Stirling termoacustico ad alta efficienza, capace di fornire 140 hp o 102 kW di potenza da una fonte di calore di 986 gradi Fahrenheit. Lo sviluppo proviene dai ricercatori dell'Istituto Tecnico di Fisica e Chimica dell'Accademia Cinese delle Scienze. È stata la prima volta che un generatore Stirling di questo tipo ha superato i 134 hp o 100 kW di potenza.

Questa innovazione cinese è vista da molti come un potenziale punto di svolta per la sua versatilità. Può funzionare con una gamma di diverse fonti di calore e potrebbe cambiare il modo in cui l'energia viene generata, fornendo soluzioni per varie esigenze energetiche.

Secondo il team che l'ha innovata, la sua affidabilità, il design semplice e la compatibilità con diverse fonti di calore possono farla competere con l'efficienza delle turbine a vapore. Il design del motore elimina le vibrazioni dal sistema e aiuta a mantenere una tenuta ermetica. L'innovazione potrebbe contribuire a rendere la Cina capace di costruire sottomarini ultra‑silenziosi e non nucleari.

Un altro studio del 2017 ha proposto la generazione di energia Stirling termoacustica da energia fredda del GNL e calore di scarto a bassa temperatura. Lo studio ha portato alla progettazione di un generatore Stirling termoacustico operante con gas elio a 4 MPa, capace di generare 2,3 kW di potenza elettrica con la più alta efficienza di exergia di 0,253 quando le estremità fredda e calda sono mantenute a 110 K e 500 K.

L'evoluzione del Motore Stirling Termoacustico come soluzione per introdurre livelli più elevati di efficienza energetica è stata studiata attentamente da ricercatori e tecnologi di alto livello in tutto il mondo. Inoltre, è stato svolto molto lavoro sul fronte delle soluzioni aziendali su larga scala.

Organizzazioni che Sfruttano i Motori Stirling Termoacustici

1. NASA

La NASA ha compiuto notevoli progressi nel settore dei Motori Stirling Termoacustici. La soluzione, nota come Convertitore di Potenza Stirling Termoacustico e Alternatore Magnetostrittivo, elimina tutte le parti in movimento per massima efficienza e affidabilità.

Tecnologia Innovativa Sviluppata dal Glenn Research Center della NASA

Questa tecnologia rende i motori Stirling più efficienti e meno costosi. Sfrutta convertitori di potenza termoacustici in cui il suono è usato per trasformare il calore in energia elettrica. Il sistema utilizza pressioni e oscillazioni di volume generate dal calore provenienti da fonti termoacustiche per alimentare alternatori piezoelettrici o altre tecnologie di conversione di potenza. Questo dispositivo è in grado di generare elettricità con un'efficienza senza pari.

L'impatto dell'innovazione della NASA è stato di vasta portata. Il convertitore di potenza termoacustico ha contribuito a rimodellare il tradizionale motore Stirling da una forma toroidale a una disposizione lineare collineare. Questa innovazione garantisce che i sistemi futuri non debbano dipendere da tubi meccanici soggetti a guasti e di inerzia. L'obiettivo può essere raggiunto utilizzando la risonanza acustica mediante componenti elettronici.

L'innovazione ha prodotto qualcosa di efficiente, affidabile, a basso costo, compatto e versatile. Si può utilizzare in generazione distribuita e sistemi di energia residenziale, sistemi di cogenerazione, generazione di energia solare concentrata, veicoli elettrici ibridi, sistemi di refrigerazione, pompe di calore, sistemi di energia subacquea e marittima, e unità di potenza ausiliarie.

2. SpaceX

È molto probabile che SpaceX, un altro gigante della tecnologia spaziale e aeronautica, possa esplorare i TASE a breve. Potrebbe aiutarli a ottenere una maggiore efficienza nella conversione del calore in lavoro meccanico.

Costi di produzione e manutenzione ridotti potrebbero portare a lanciare veicoli spaziali più leggeri a costi inferiori. Inoltre, aiuterebbe SpaceX a gestire il calore in modo efficace, con capacità di generazione di energia migliorate nelle missioni nello spazio profondo.

Secondo i rapporti pubblicati a metà agosto 2023, l'aumento di fatturato di SpaceX l'ha resa redditizia nel primo trimestre 2023 dopo due perdite annuali. L'azienda di proprietà di Elon Musk ha generato 55 milioni di dollari di profitto su 1,5 miliardi di dollari di fatturato nel periodo da gennaio a marzo. È stata valutata quasi a 150 miliardi di dollari USA in una recente vendita di azioni ai dipendenti.

3. Sierra Lobo, Inc.

Con sede a Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., fornisce servizi specializzati di test, valutazione e ingegneria spaziale e aerospaziale in tutto il mondo. Ha sviluppato motori Stirling termoacustici a pieno regime che possono operare con una varietà di fonti di energia/calore, con alta efficienza e affidabilità, senza parti in movimento. È compatto e scalabile e può essere utilizzato in applicazioni spaziali grazie al suo funzionamento indipendente dalla gravità.

Si prevede che questi motori termici trovino applicazione in molti settori, inclusa la generazione di potenza acustica e onde di pressione e la generazione elettrica per applicazioni terrestri, subacquee e spaziali. Può produrre simultaneamente energia elettrica e di raffreddamento, azionare un alternatore lineare per la generazione di energia elettrica, e un frigorifero e criocooler per la generazione di raffreddamento.

Sfide e Opportunità nel Futuro

I Motori Stirling Termoacustici (TASE), una categoria specifica di motori Stirling, hanno mostrato un grande potenziale nello sviluppo di fonti di energia adatte ai viaggi nello spazio profondo. La NASA, in particolare attraverso il suo Glenn Research Center, è stata in prima linea nello sfruttare l'efficienza e le caratteristiche a bassa manutenzione della tecnologia. Si prevede che questa tecnologia progredisca ulteriormente, supportando sistemi di energia che potrebbero essere fondamentali in numerosi progetti di esplorazione spaziale, includendo potenzialmente l'alimentazione di basi sulla Luna e su Marte.

Questi motori sono preferiti per la loro capacità di offrire un'efficienza termica‑elettrica molto alta rispetto ad altri motori termici. L'assenza di sistemi di cuscinetti e parti in movimento nei TASE riduce significativamente il rischio di guasti e le spese di fabbricazione.

Tuttavia, per diventare la scelta più preferita, è ancora necessario un notevole lavoro di perfezionamento di questa tecnologia. Attualmente i TASE affrontano sfide legate al volume e al peso, principalmente perché il loro design, che prevede scambiatori di calore sia ai punti caldi che freddi, risulta più ingombrante e più pesante rispetto ai tradizionali motori a combustione interna con la stessa potenza.

Inoltre, i TASE spesso incontrano difficoltà a causa di un avvio più lento dovuto all'inerzia termica intrinseca. La loro applicazione è limitata in scenari che richiedono avvii rapidi o cambiamenti di velocità veloci. Tuttavia, le innovazioni tecnologiche in corso mirano a superare queste sfide, posizionando i TASE come un componente cruciale per operazioni spaziali ad alta tecnologia e oltre.

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