Ecologici ed efficienti: come i motori Stirling termoacustici stanno cambiando il gioco aerospaziale

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

Cos'è un motore Stirling?

Il nome deriva dal suo inventore, il reverendo Robert Stirling, che inventò un motore termico esterno molto diverso dai tradizionali motori a combustione interna utilizzati nelle automobili. È diverso nell'uso del ciclo di agitazione, che ha tre caratteristiche principali. 

• 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 sono dotati di valvole di scarico per sfogare i gas ad alta pressione. Non si verificano nemmeno esplosioni. Di conseguenza, i motori Stirling sono molto silenziosi.
• Non essendo un motore a combustione interna, necessita di una fonte di calore esterna. E quella fonte di calore potrebbe essere i raggi solari, il calore geotermico, la benzina o l’energia solare. Il calore potrebbe provenire anche da una pianta in decomposizione. 
• Infine, tutto ciò che serve è un'elica con volano con una leggera rotazione per avviare il motore. 

In questa tradizione di costruzione di motori Stirling nascono 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 popolarità nel campo della ricerca scientifica grazie ai bassi costi di produzione, all'elevata efficienza, alle caratteristiche che non richiedono manutenzione e alla capacità di avvio automatico. 

Una delle categorie più popolari di motori Stirling termoacustici sono i motori termici Stirling termoacustici o TASHE. Questi dispositivi possono convertire il calore in potenza acustica con un tasso di efficienza molto elevato. Il suo potenziale risiede nel fatto che non prevede parti in movimento e che i componenti sono relativamente semplici. Questi sistemi sono meno costosi da produrre e mantenere. È preferito 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 tra uno scambiatore di calore caldo (HHX) e uno scambiatore di calore freddo o ambiente. Tali posizionamenti alle due estremità aiutano a mantenere un gradiente di temperatura medio nella direzione assiale. Le onde acustiche che si propagano attraverso di esso – con la giusta fase – possono essere amplificate da un processo termodinamico simile a un ciclo Stirling. 

Perché i motori Stirling termoacustici sono utili?

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

Le comunità scientifiche lo sono state contemplando l’uso di fonti alternative di carburante, compresa l'energia solare, l'energia geotermica, i biocarburanti/biomassa, i radioisotopi e altro ancora. 

In questo scenario, i motori Stirling hanno mostrato buoni risultati grazie alla loro elevata efficienza, ciclo termodinamico chiuso, funzionamento silenzioso, basse vibrazioni, 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 servono al loro scopo e quale è stata la natura della tecnologia. 

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

Fino agli anni ’1980, l’efficienza della maggior parte dei progetti in questo campo non superava generalmente il 5%. Segnando un punto di svolta nel 1979, Ceperley ottenne una svolta significativa. Ha dimostrato che le onde viaggianti possono estrarre l'energia acustica in modo più efficiente, il che ha portato al concetto di progettazione dei TASHE a onde viaggianti utilizzati oggi. 

Ciò che accade in questo schema più efficiente delle cose è che parte della potenza acustica generata ritorna al rigeneratore attraverso una qualche forma di circuito di feedback e, in parte, è diretta verso un risonatore per l’estrazione di energia.

Il primo decennio del millennio ha visto un ulteriore miglioramento della tecnologia alla base dei TASHE. Nel 2011 Tijani & Spolestra hanno progettato un TASHE ad onda viaggiante che ha raggiunto una notevole efficienza complessiva di   del limite di Carnot. Per aggiungere contesto, il limite di Carnot stabilisce un limite assoluto all’efficienza con cui l’energia termica può essere trasformata in lavoro utile.

Nell'ultimo sviluppot nel campo dei TASE, la Cina ha recentemente sviluppato un generatore Stirling termoacustico ad alta efficienza, in grado di fornire 140 CV o 102 KW di potenza da una fonte di calore di 986 gradi Fahrenheit. Lo sviluppo è venuto dai ricercatori che lavorano presso l'Istituto tecnico di fisica e chimica dell'Accademia cinese delle scienze. Era la prima volta che un generatore Stirling di questo tipo poteva superare i 134 CV o 100 KW di potenza. 

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

Secondo il team che lo ha innovato, la sua affidabilità, il design semplice e la compatibilità con diverse fonti di calore possono renderlo competitivo 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 sottomarini ultrasilenziosi e non nucleari. 

Un altro studio del 2017 ha proposto la generazione di energia Stirling termoacustica dall’energia fredda GNL e dal calore di scarto a bassa temperatura. Lo studio ha portato alla progettazione di un generatore Stirling termoacustico funzionante con gas elio da 4 MPa in grado di generare 2.3 kW di potenza elettrica con la massima efficienza exergy di 0.253 quando le estremità fredda e calda vengono 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 da vicino da ricercatori e tecnologi di fascia alta di tutto il mondo. E molto lavoro è stato fatto sul fronte delle soluzioni aziendali su larga scala. 

Organizzazioni che sfruttano i motori Stirling termoacustici

1. NASA

La NASA ha compiuto progressi significativi nel campo dei motori Stirling termoacustici. La soluzione, nota come convertitore di potenza termoacustico Stirling e alternatore magnetostrittivo, elimina tutte le parti mobili per la massima efficienza e affidabilità. 

Nuova tecnologia 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 viene utilizzato per trasformare il calore in energia elettrica. Il sistema utilizza pressioni guidate dal calore e oscillazioni di volume da fonti termocustiche 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 motore Stirling convenzionale da una forma toroidale a una disposizione collineare diritta. Questa innovazione garantisce che ulteriori sistemi non debbano dipendere da tubi di inerzia meccanica e conformità soggetti a guasti. L'obiettivo può essere raggiunto utilizzando la risonanza acustica utilizzando componenti elettronici. 

L’innovazione ha prodotto qualcosa di efficiente, affidabile, economico, compatto e versatile. È possibile utilizzarlo in sistemi di generazione distribuita e di alimentazione residenziale, sistemi combinati di calore ed elettricità, generazione di energia solare concentrata, veicoli elettrici ibridi, sistemi di refrigerazione, pompe di calore, sistemi di alimentazione sottomarini e marini e unità di alimentazione ausiliarie. 

2. SpaceX

C’è un’alta probabilità che SpaceX, un altro gigante della tecnologia spaziale e aeronautica, possa esplorare i TASE a breve. Potrebbe aiutarli a raggiungere una maggiore efficienza nella conversione del calore in lavoro meccanico. 

I bassi costi di produzione e manutenzione potrebbero portare alla realizzazione di veicoli spaziali più leggeri a costi inferiori. Aiuterebbe anche SpaceX a gestire il calore in modo efficace, con capacità di generazione di energia migliorate nelle missioni nello spazio profondo. 

Secondo rapporti pubblicato a metà agosto 2023, i ricavi in ​​aumento di SpaceX lo hanno reso redditizio nel primo trimestre del 1 dopo due perdite annuali. La società di proprietà di Elon Musk ha generato profitti per 2023 milioni di dollari su un fatturato di 55 miliardi di dollari nel periodo gennaio-marzo. È stato valutato quasi 1.5 miliardi di dollari in una recente vendita di azioni dei dipendenti.

3. Sierra Lobo, Inc.

Con sede a Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., fornisce servizi specializzati di test, valutazione e ingegneria nel settore spaziale e aerospaziale in tutto il mondo. Ha sviluppato motori termici Stirling termoacustici a tutti gli effetti che possono funzionare con una varietà di fonti di energia/calore, con elevata efficienza e affidabilità, senza parti mobili. È compatto e scalabile e può essere utilizzato in applicazioni spaziali per il suo funzionamento indipendente dalla gravità. 

Si prevede che questi motori termici troveranno applicazioni in molte aree, tra cui la generazione di energia acustica e di onde di pressione e la generazione elettrica per applicazioni terrestri, subacquee e nello spazio. Può produrre simultaneamente energia elettrica e di raffreddamento, azionare un alternatore lineare per la generazione di energia elettrica e un frigorifero e un criorefrigeratore per la generazione di raffreddamento. 

Sfide e opportunità nella strada da percorrere

I motori termici 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 della tecnologia e le caratteristiche di bassa manutenzione. Si prevede che questa tecnologia progredirà ulteriormente, supportando sistemi energetici che potrebbero essere determinanti in numerosi progetti di esplorazione spaziale, tra cui 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 elevata rispetto ad altri motori termici. L'assenza di sistemi di cuscinetti e di parti mobili nei TASE riduce significativamente il rischio di guasti e le spese di fabbricazione.

Tuttavia, per diventare la scelta preferita, c’è ancora molto lavoro da fare per perfezionare questa tecnologia. I TASE attualmente devono affrontare sfide in termini di volume e peso, principalmente perché la loro progettazione, che prevede scambiatori di calore sia nei punti caldi che in quelli freddi, si traduce in una formazione più voluminosa e pesante rispetto ai tradizionali motori a combustione interna con potenza equivalente.

Inoltre, i TASE sono spesso messi a dura prova da un avvio più lento a causa dell'inerzia termica intrinseca. La loro applicazione è limitata in scenari che richiedono avviamenti rapidi o rapidi cambi di velocità. Tuttavia, le innovazioni tecnologiche in corso mirano a superare queste sfide, posizionando i TASE come una componente cruciale per le operazioni spaziali ad alta tecnologia e non solo.

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