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Articoli - Archivio

24/10/2017
PNEUMATICI INTELLIGENTI E CONNESSI , L'ENERGIA VIENE DAL MOVIMENTO

Movimento e energia

 

Le automobili “intelligenti” dovranno raccogliere molti dati, anche dai pneumatici, che vedrebbero aumentare così il numero dei loro sensori: come alimentarli? Si potrebbe provare a raccogliere e convertire l’energia meccanica generata dalla vibrazioni e dalle deformazioni delle gomme e, in effetti, molti studi stanno percorrendo questa strada

 

Nicodemo Angì

Le gomme si scaldano, si sa, è questo fenomeno non dipende soltanto dal calore dell’asfalto arroventato dall’estate. I nostri fidati pneumatici sono infatti sottoposti continuamente alle sollecitazione di frenate, accelerazioni e sterzate, oltre a quelle delle asperità della strada. Ma se anche la strada fosse diritta e liscia come un tavolo da biliardo e il veicolo si muovesse a velocità costante le deformazioni non mancherebbero, dato che i fianchi del pneumatico sono compressi dal peso dell’auto nella zona di contatto con il suolo per poi ridistendersi e flettersi di nuovo continuamente in un movimento continuo.

Il riscaldamento della copertura è indice di energia che viene dissipata: basterebbe raccoglierne una piccola frazione per poter alimentare molti sensori e processori che oggi, grazie ai progressi dell’elettronica, si accontentano di pochissima corrente. Il loro numero ne rende però sconsigliabile l’alimentazione a batteria, che andrebbe sostituita più di frequente rispetto a quella degli attuali TPMS.

 

Come ti condenso l’energia

Se lo scopo è unico, ossia convertire in energia elettrica l’energia meccanica e termica messa in gioco dalla rotazione delle ruote di un veicolo, i mezzi per raggiungerlo sono di molti tipi diversi. Possiamo citare, per esempio, una ricerca condotta da tecnici di Visteon, nota azienda produttrice di chip anche specifici per l’automotive, insieme a ricercatori della norvegese Vestfold University College. Lo studio è finalizzato all’alimentazione dei classici TPMS ma la soluzione è scalabile per sensori più avidi di energia. Le sperimentazioni hanno riguardato dei “raccoglitori” (harvester) di tipo elettrostatico che funzionano come condensatori variabili. Il condensatore (o capacità) è costituito da 2 armature conduttive affacciate e separate da un isolante. Collegando le armature a una pila si osserva un flusso di corrente che decresce gradualmente fino allo zero: il condensatore è carico e un’armatura ha accumulato cariche positive e l’altra negative. Si osserva inoltre una forza che tende ad avvicinare le armature, dato che esse si attraggono in quanto caricate con segni diversi: questa forza è generata da un campo elettrostatico. Il processo è reversibile: allontanando e avvicinando le armature applicando una forza esterna (pre-caricate da uno speciale processo costruttivo), si creano delle piccolissime correnti elettriche che possono alimentare un microchip; è appena il caso di dire che la forza in questione è quella delle vibrazioni e delle sollecitazioni alle quali è soggetto il pneumatico.

 

Di tutto un po’

Un meccanismo simile sfrutta il campo elettromagnetico invece di quello elettrostatico: in questo caso a muoversi reciprocamente non sono le due armature ma un magnete rispetto a una bobina di filo conduttore, per un meccanismo invertito rispetto a quello degli altoparlanti. Una bobina percorsa da corrente alternata e posta in prossimità di un magnete sperimenterà una forza variabile con la stessa frequenza della corrente che l’attraversa: è questa forza che fa muovere il cono dell’altoparlante stesso. Muovendo un magnete vicino a una bobina di filo, sfruttando le vibrazioni dell’insieme ruota/pneumatico, potremo raccogliere una tensione alternata ai capi della bobina stessa: essa potrà alimentare, una volta convertita in tensione continua, dei microchip. Un altro promettente filone è quello dei materiali piezoelettrici, che conosciamo per esempio negli accendigas che funzionavano premendo un pulsante. La loro caratteristica principale è la produzione di elettricità se sottoposti a compressione e espansione e, come detto più sopra, di sollecitazioni di questo tipo le gomme sono piuttosto prodighe.

Prendiamo per esempio la tesi che è stata discussa da Otso Jousimaa per il suo Master of Science in Technology alla finlandese Aalto University. Una serie di elementi piezoelettrici sono stati sistemati all’interno del pneumatico in modo che fossero soggetti alle deformazioni e alle vibrazioni dovute al rotolamento della copertura.

 

Ti schiaccio e mi elettrizzi

La corrente elettrica alternata così prodotta è stata raccolta, convertita in corrente continua e quindi immagazzinata in un supercondensatore (un componente che è una via di mezzo fra il condensatore citato più sopra e una batteria) a una tensione utilizzabile dai moderni microprocessori. La produzione energetica non è stata impressionante, dato che si parla 13 microwatt a bassa velocità e 50 microwatt a una velocità superiore ma quest’energia è relativa a pochi elementi e sarà probabilmente possibile aumentarne il valore ricorrendo a più “moduli”. Alle stesse conclusioni, cioè all’utilizzo di materiali piezoelettrici, è giunto il Centre for Process Innovation (CPI) del Regno Unito nel corso di un progetto congiunto con Bath University e Silent Sensors. La collaborazione punta a sviluppare una componente chiave dei futuri pneumatici intelligenti, ossia l'alimentazione dei loro sensori e processori. I componenti così alimentati saranno un passo fondamentale verso lo sviluppo di pneumatici con capacità di tracciatura e controllo delle condizioni di lavoro, con ricadute benefiche per la sicurezza e la riduzione dei consumi e quindi delle emissioni di CO2.

Un’evoluzione di questi materiali è presente poi nel concept Googyear BH 03, uno pneumatico che ha al suo interno una specie di rete di materiale termo-piezoelettrico che trasforma in elettricità sia le sollecitazioni meccaniche sia il calore. Il battistrada a alto assorbimento termico raccoglie il calore dei raggi solari e, riscaldando la rete termo-piezoelettrica, la mette in grado di generare elettricità. Quando l'auto comincia a muoversi il processo viene incrementato dal calore generato dall’attrito e dalla flessione della copertura. All’aumentare della velocità al calore dell’attrito e della flessione/deformazione del pneumatico si aggiungono le sollecitazioni che innescano la formazione di elettricità tramite il meccanismo piezoelettrico della struttura termo-piezoelettrica.

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