Le ultime innovazioni aerospaziali aprono la strada al volo di nuova generazione

L’industria aerospaziale in rapida evoluzione sta costantemente esplorando modi per migliorare l’efficienza, le prestazioni e la sicurezza, riducendo al contempo le emissioni di carbonio e mantenendo la sostenibilità. 

Negli ultimi anni, diversi progressi tecnologici hanno ampliato le capacità del trasporto aereo sia all’interno dell’atmosfera terrestre sia al di fuori di essa. Questo include la tecnologia satellitare avanzata per le comunicazioni, la manifattura additiva per componenti leggeri, la propulsione elettrica per ridurre le emissioni e i costi, il volo supersonico per viaggi più rapidi, e intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico per migliorare l’efficienza operativa.

L’aerospazio si concentra su materiali avanzati con proprietà molto specifiche. I sistemi solitamente coinvolgono diversi tipi di materiali, che vanno dalla ceramica termica alle fibre di carbonio e al titanio, utilizzati per una moltitudine di scopi al fine di ottimizzare le prestazioni.

La ricerca in questo ambito mira a sviluppare materiali multifunzionali, cioè materiali che non solo hanno funzioni strutturali ma possono anche offrire altre caratteristiche come il raffreddamento attivo. Per dare vita a concetti aerospaziali avanzati, i materiali devono essere più durevoli, leggeri ed economici che mai. 

Man mano che l’industria aerospaziale continua a progredire, esaminiamo le ultime innovazioni rivoluzionarie che la porteranno ancora più avanti.

Sbloccare il ‘Genoma dei Materiali’ per Avanzare nel Design

Lo scorso mese, ricercatori della School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering dell’Università di Sydney hanno scoperto un metodo di microscopia per svelare le relazioni atomiche all’interno di materiali cristallini come acciai avanzati e silicio personalizzato.

Ciò significa che i ricercatori possono rilevare anche minimi cambiamenti nell’architettura a livello atomico di questi materiali, migliorando la nostra comprensione delle origini fondamentali delle loro proprietà e del loro comportamento. Questa conoscenza consentirà lo sviluppo di semiconduttori avanzati per l’elettronica e leghe più leggere e più resistenti per il settore aerospaziale.

Per questo, i ricercatori hanno utilizzato la tomografia a sonda atomica (APT), una tecnica che visualizza gli atomi in tre dimensioni (3D), per analizzare la complessità dell’ordine a corto raggio (SRO). L’SRO è una misura quantitativa della tendenza relativa degli elementi costituenti di un materiale a discostarsi da una distribuzione casuale. Comprendere gli ambienti atomici locali è essenziale per creare materiali innovativi.

Quantificando la non casualità delle relazioni di vicinato a scala atomica all’interno del cristallo in dettaglio, l’SRO apre “vastissime possibilità per materiali progettati su misura, atomo per atomo, con disposizioni di vicinato specifiche per ottenere proprietà desiderate come la resistenza”, ha dichiarato il responsabile dello studio, il professor Simon Ringer, Pro‑Vice‑Chancellor (Research Infrastructure) dell’Università di Sydney.

Talvolta definito come il ‘genoma dei materiali’, l’SRO è stato una sfida da misurare e quantificare. Questo perché le disposizioni atomiche avvengono a una scala così piccola che non è possibile vederle con le tecniche di microscopia convenzionali.

Pertanto, il team di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo basato su APT che supera queste sfide, rendendolo “un importante progresso nella scienza dei materiali”, ha affermato Ringer, ingegnere dei materiali presso AMME. 

Lo studio si è concentrato sulle leghe ad alta entropia (HEA), un’area di grande interesse di ricerca per il loro potenziale utilizzo in situazioni che richiedono resistenza ad alte temperature, inclusi i motori a reazione e le centrali elettriche.

Utilizzando tecniche avanzate di data science e basandosi sui dati dell’APT, i ricercatori hanno osservato e misurato l’SRO. Sono poi riusciti a confrontare come l’SRO varia in una lega ad alta entropia di cobalto, cromo e nichel sotto diversi trattamenti termici.

Secondo il dottor Andrew Breen, ricercatore post‑dottorato senior:

“(Lo studio ha prodotto un)’analisi di sensibilità che delimita l’intervallo preciso di circostanze in cui tali misurazioni sono valide e in cui non lo sono.”

Misurando e comprendendo l’SRO, questo studio potrebbe anche contribuire a trasformare gli approcci alla progettazione dei materiali e dimostrare come “piccoli cambiamenti nell’architettura a livello atomico possano portare a enormi progressi nelle prestazioni dei materiali”, ha affermato il dott. Mengwei He, ricercatore post‑dottorato nella School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Inoltre, fornendo un progetto a livello microscopico, lo studio migliora le capacità dei ricercatori di simulare, modellare e prevedere il comportamento dei materiali in modo computazionale. Può inoltre fungere da modello per studi futuri in cui l’SRO controlla proprietà materiali critiche. 

Un Nuovo Materiale per Rendere Possibile il Volo Ipersonico

C’è molto interesse nel raggiungere un volo sostenuto a velocità ipersonica, ma rimangono sfide tecniche. Queste includono la gestione del calore estremo, lo sviluppo di materiali in grado di sopportare sollecitazioni, temperature estreme e ossidazione senza compromettere le prestazioni, e la creazione di sistemi di propulsione che possano operare efficientemente ad alte velocità e altitudini. 

Mentre i ricercatori cercano soluzioni a questi problemi, scienziati della School of Materials Science and Engineering dell’Università di Guangzhou hanno segnalato un importante progresso negli scudi termici ipersonici all’inizio di quest’anno.

In quello che potrebbe rappresentare un punto di svolta per il volo ipersonico, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo materiale, una ceramica porosa, che offre “eccezionale stabilità termica” e “resistenza compressiva ultraalta”. 

Questo è stato ottenuto utilizzando un design a struttura multiscala, che gli scienziati affermano sia stato realizzato per la prima volta. Inoltre, la rapida fabbricazione di queste ceramiche ad alta entropia apre la porta a una più ampia esplorazione nei settori dell’aerospazio, dell’ingegneria chimica e della produzione e trasferimento di energia.

I ricercatori hanno affermato che le ceramiche sono state fabbricate tramite “una tecnica di sintesi ad alta temperatura ultrarapida che può garantire una capacità eccezionale di carico meccanico e alte prestazioni di isolamento termico”.

Per affrontare la sfida di materiali forti, leggeri e a bassa conduttività termica, gli scienziati hanno utilizzato materiali ceramici non combustibili e resistenti alla corrosione, con punti di fusione elevati e bassa conduttività termica. Naturalmente, i materiali ceramici convenzionali sono ancora insufficienti nel gestire temperature e pressioni estremamente elevate.

Sebbene i materiali leggeri e porosi abbiano basse capacità di trasferimento termico, ciò comporta anche una maggiore fragilità.

Pertanto, i ricercatori hanno iniziato a lavorare per migliorare simultaneamente “la resistenza meccanica e la capacità di isolamento termico delle ceramiche porose”. Questo li ha condotti al concetto di alta entropia, che si concentra su più elementi in proporzioni uguali per creare componenti più forti, più stabili e più resistenti al calore.

Gli scienziati hanno scoperto che il nuovo materiale ceramico — denominato diboruro ad alta entropia poroso a 9 cationi (9PHEB) — è riuscito a trovare un buon equilibrio tra resistenza al calore e resistenza meccanica senza le limitazioni usuali. Questo nuovo materiale ha anche soddisfatto i requisiti di peso e isolamento richiesti per il volo aerospaziale.

Secondo i ricercatori:

“Interfacce di alta qualità, caratterizzate da legami forti senza difetti o fasi amorfe, possono favorire il rapido trasferimento di forza lungo il blocco costitutivo e verso molti altri attraverso le connessioni durante il carico, portando a un notevole miglioramento della resistenza meccanica.”

Lo studio ha inoltre osservato che il nuovo materiale 9PHEB è eccezionale sia in termini di resistenza che di stabilità termica. 

Materiali Autoguariti per Strutture Aerospaziali

Polimeri autoguariti e nanocompositi sono materiali innovativi che hanno notevolmente avanzato l’industria aerospaziale. Sono stati anche oggetto di importanti ricerche per le loro applicazioni in elettronica, batterie, biomedicina e altri settori tecnici. 

Sebbene i materiali autoguariti esistano da secoli, negli ultimi decenni si è registrato un notevole aumento dell’innovazione in questo campo, portando allo sviluppo di materiali autoguariti sintetici.

Questi materiali possono essere trovati in diverse forme, a seconda della loro chimica unica, includendo polimeri termoplastici, polimeri termoindurenti, elastomeri, polimeri a memoria di forma, compositi polimerici e nanocompositi. 

A seconda delle loro capacità, questi materiali sono spesso indicati come materiali autoguariti intrinseci, che si basano su legami chimici o mobilità molecolare all’interno del materiale stesso, o come materiali autoguariti estrinseci, in cui agenti curativi esterni si attivano al verificarsi di danni.

I polimeri sono considerati particolarmente importanti per l’uso strutturale grazie alla loro straordinaria capacità di riparare danni strutturali. Questo è ottenuto attraverso la mobilizzazione delle catene polimeriche e la reticolazione.

Nell’industria aerospaziale, i nanocompositi autoguariti sono particolarmente utili per strutture ingegnerizzate, adesivi, motori, fusoliere e rivestimenti. I nanocompositi autoguariti sono fabbricati incorporando nanoparticelle nei polimeri. Per la loro capacità di riparare i danni in modo reversibile, i polimeri termoindurenti e termoplastici sono rinforzati con nanoparticelle di nano‑carbonio.

I nanocaricatori potenziano ulteriormente l’effetto autoguarente dei nanocompositi. Il tipo e la quantità di nanocaricatore sono fattori essenziali per innescare l’effetto autoguarente.

Tradizionalmente, i materiali ceramici e metallici venivano utilizzati per sviluppare i motori. Tuttavia, più recentemente, i materiali polimerici e i compositi sono stati sempre più impiegati nei motori a reazione resistenti alle alte temperature. Questo cambiamento è giustificato, poiché i materiali compositi resistono meglio ai danni strutturali da impatto o rottura.

Con fibre ceramiche in grado di sopportare temperature molto elevate, i nanocompositi autoguariti sono stati utilizzati per produrre componenti fissi e mobili dei motori a reazione. Questi nanomateriali sono stati inoltre trovati resistenti a pressione, danni e corrosione, contribuendo a migliorare l’efficienza del motore.

La ricerca in corso sui polimeri autoguariti mostra potenziale per materiali in grado di resistere a pressioni elevate, temperature e situazioni di impatto, migliorando sostanzialmente la durabilità delle strutture spaziali. Potremmo anche vedere in futuro lo sviluppo di nanocompositi di nanocarbonio che rilevano i danni nelle strutture aerospaziali, ma ciò richiederebbe nuovi agenti curativi con un’efficienza autoguarente superiore.

Curiosamente, nel mondo dei materiali autoguariti, il dott. Kunal Masania, professore associato di strutture e materiali aerospaziali presso la Delft University of Technology nei Paesi Bassi, ha sviluppato “materiali viventi” per l’uso nel settore aerospaziale. Questi materiali viventi contengono microrganismi come batteri e funghi, conferendo loro la capacità di autoguarirsi. 

Il team ha scelto i funghi per la loro capacità di tollerare condizioni avverse e per la relativa facilità di coltivazione. Le cellule fungine possono anche connettersi, il che significa che distribuendo solo poche cellule nel materiale, esse possono ricollegarsi e formare una rete sensoriale. Questi materiali viventi sono effettivamente prodotti tramite un metodo speciale di stampa 3D e un nuovo inchiostro per stampa 3D.  

Questo sviluppo è stato realizzato nell’ambito di un progetto quinquennale, AM-IMATE, che ha ricevuto un finanziamento dall’Unione Europea. Secondo Masania:

“(L’obiettivo del progetto è) creare strutture ingegnerizzate che possano comportarsi come organismi viventi, in grado di percepire e adattarsi a sollecitazioni meccaniche.” 

Utilizzando materiali biologici autoguariti, non solo è possibile migliorare la durabilità e le prestazioni delle strutture critiche utilizzate nell’aerospazio, ma è anche sostenibile. Il team AM-IMATE sta attualmente esplorando l’uso di compositi come materiale di base per gli interni degli aeroplani.

“I nostri materiali sono molto leggeri e più sostenibili rispetto ai materiali attualmente utilizzati”, ha affermato Masania, aggiungendo che sostituire plastica e metallo significa non dover dipendere dai combustibili fossili. Inoltre, “i componenti degli aeromobili potrebbero essere smontati e restituiti alla natura”, ha detto.

Ma non è tutto. Il team vede persino i loro materiali viventi come base per nuovi habitat “su altri pianeti” utilizzando materiali locali e legandoli insieme con i funghi.

Aziende Leader nella Tecnologia Aerospaziale

Se osserviamo le aziende operanti nell’industria aerospaziale, diversi attori chiave stanno avanzando la tecnologia, tra cui General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX, Virgin Galactic (SPCE ) e Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), uno dei più grandi appaltatori della difesa al mondo, è anche molto presente in questo ambito. Conosciuta per i suoi caccia, sistemi missilistici e tecnologie di esplorazione spaziale, Lockheed Martin ha sviluppato un software di telecomunicazione basato su IA chiamato Callisto in collaborazione con Amazon (AMZN ) e Cisco per migliorare l’efficienza e la consapevolezza situazionale a bordo dei veicoli spaziali. Più recentemente, ha acquisito il fornitore di soluzioni satellitari Terran Orbital in un accordo da 450 milioni di dollari.

Boeing è un altro importante attore nell’aerospazio commerciale e militare. L’azienda è attualmente sotto intenso scrutinio per problemi di controllo qualità, problemi continui con il suo aereo 737 Max, preoccupazioni sulla sicurezza e concorrenza da parte di Airbus.

Airbus è principalmente coinvolta nella progettazione e produzione di aeromobili commerciali. Per ridurre le emissioni di CO2 dei suoi prodotti, l’azienda sta sviluppando materiali bio‑derivati per la produzione di aeromobili. A tal fine, l’azienda sta valutando alternative alle fibre di carbonio derivanti da combustibili fossili che sono utilizzate nella costruzione di componenti come ali o gusci di fusoliera.

Ora, approfondiamo un paio di nomi di spicco:

#1. Raytheon Technologies

Concentrata su avionica, elettronica di difesa e sistemi missilistici, nel 2020, Raytheon ha completato la sua fusione con United Technologies per formare il fornitore di sistemi aerospaziali e di difesa più avanzato al mondo.

Mentre l’azienda continua a fornire i suoi prodotti e competenze a livello globale, alcuni sviluppi notevoli di quest’anno includono:

• Essere scelti da DARPA per sensori ottici quantistici utilizzati in applicazioni di imaging.
• Presentare MAYA come il futuro del viaggio aereo premium.
• Investire 200 milioni di dollari a Spokane per alimentare la crescita manifatturiera.
• Completare il test di Valutazione della Capacità dell’Equipaggio del suo prossimo spacesuit di nuova generazione per la Stazione Spaziale Internazionale.
• Essere premiati con un contratto da 344 milioni di dollari per modernizzare l’unità elettronica del programma di sviluppo missilistico.

Al momento della stesura, le azioni di Raytheon (RTX:NYSE) sono quotate a 118,35 $, in crescita del 40,66 % YTD. La capitalizzazione di mercato dell’azienda è di 157,43 miliardi di dollari, e il suo rendimento da dividendo è del 2,13 %.

Per il Q2 2024, l’azienda ha riportato 19,7 miliardi di dollari in vendite, un aumento dell’8 % rispetto all’anno precedente, mentre il flusso di cassa operativo è stato di 2,7 miliardi di dollari. Raytheon ha segnalato un arretrato di 206 miliardi di dollari, includendo 129 miliardi di commerciali e 77 miliardi di difesa. L’EPS rettificato è stato di 1,41 $, in crescita del 9 % rispetto all’anno precedente.

“RTX ha conseguito una forte performance operativa nel secondo trimestre, con una crescita organica delle vendite del 10 %, un’espansione del margine rettificato in tutti e tre i segmenti e 2,2 miliardi di dollari di flusso di cassa libero.”

– RTX Presidente e CEO Chris Calio

Ha anche osservato che, con l’arretrato e la “domanda senza precedenti in tutto il nostro portafoglio”, si stanno concentrando sull’investimento in tecnologie e capacità innovative.

#2. Northrop Grumman

Specializzata in difesa e aerospazio, Northrop Grumman (NOC ) è rinomata per il suo lavoro nei sistemi senza pilota, nella cybersicurezza e nei sistemi spaziali avanzati, incluso il telescopio spaziale James Webb. L’azienda sta anche sviluppando il bombardiere B-12 e il programma Sentinel. Inoltre, Northrop Grumman collabora con SpaceX di Elon Musk su un sistema di satelliti spia statunitense, è in partnership con EpiSci per capacità di autonomia avanzata e supporta il piano di difesa a lungo termine della Norvegia attraverso il suo lavoro con Andøya Space.

Al momento della stesura, le azioni di Northman sono quotate a 504,87 $, in crescita del 7,85 % YTD, con una capitalizzazione di mercato di 73,83 miliardi di dollari. Pagano un rendimento da dividendo dell’1,63 %. Per il Q2 2024, l’azienda ha riportato un aumento del 6,7 % dei ricavi, raggiungendo 10,22 miliardi di dollari. Il trimestre ha registrato oltre 1,11 miliardi di dollari di flusso di cassa libero, mentre le spese hanno incluso circa 3 miliardi di dollari in R&D e 1,8 miliardi di dollari in spese in conto capitale. L’EPS di Northrop ha superato le stime del 7,6 % arrivando a 6,36 $.

L’azienda ha previsto una crescita solida in tutte le sue divisioni, in particolare nell’aeronautica, nei sistemi d’arma e nell’elettronica avanzata. Si prevede un leggero calo nel segmento spaziale l’anno prossimo a causa di un programma annullato, ma la crescita dovrebbe riprendere successivamente. Riconoscendo le limitazioni della catena di approvvigionamento, in particolare nella fornitura di perclorato di ammonio per i motori a razzo solidi, la CEO Kathy Warden ha dichiarato che stanno collaborando con l’Aeronautica per ridurre i costi.

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Conclusione

Il mercato aerospaziale attualmente si aggira intorno ai 300 miliardi di dollari. Sebbene sia temporaneamente diminuito durante la pandemia di COVID‑19, si prevede che supererà i 460 miliardi di dollari entro il 2028. Nel frattempo, il fatturato del mercato della produzione di componenti aerospaziali è previsto superare i 1.230 miliardi di dollari entro la fine di questo decennio.

Considerata la crescita che l’industria sta registrando, l’innovazione tecnologica avviene a un ritmo rapido. Da aeromobili più efficienti grazie ai sistemi di propulsione elettrica, alla creazione di materiali compositi avanzati, e ai progressi nell’IA e nella tecnologia dei sensori per ottenere aeromobili completamente autonomi, fino alla ricerca e all’adozione di carburanti sostenibili per l’aviazione (SAF), che sono derivati da fonti rinnovabili, sta accadendo molto e, insieme, queste innovazioni possono portare a cambiamenti significativi per plasmare il futuro dell’aerospazio.

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