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Metti un laser nel motore

27 aprile 2011

Negli ultimi anni, le parole d’ordine per le grandi case automobilistiche sono state efficienza e riduzione dell’inquinamento. Oltre alla nascita di automobili elettriche o ibride che ormai si trovano comunemente nelle concessionarie, anche i motori più classici sono stati rivisti affinché riducessero i consumi e le emissioni dannose, come gas serra e particolato. Tra i molti componenti di un motore a scoppio che hanno beneficiato dell’alta tecnologia moderna non vi sono, però, le candele, le quali, a parte piccole migliorie, non differiscono molto dal disegno originale.

Certo, oggigiorno l’energia elettrica che le alimenta è microcontrollata in modo da essere in quantità ottimale e fornita al momento migliore, ma la candela rappresenta, comunque, un grosso ostacolo al miglioramento ulteriore dei motori a scoppio.

Come molti sapranno, la candela è posta alla sommità del cilindro e, attraverso una scintilla elettrica tra i suoi due elettrodi, incendia il miscuglio di carburante e aria, spingendo in basso il pistone e generando la potenza necessaria a spingere la vettura. Come in ogni combustione, questo processo ha come prodotti anidride carbonica, ma anche ossidi di azoto (NOx). Per poter ridurre drasticamente questi ultimi è necessario ridurre il quantitativo di carburante mescolato all’aria, ma, per poter innescare questa miscela più povera e meno esplosiva e’ necessario aumentare la tensione elettrica delle candele, cosa che, però, aumenta notevolmente l’erosione dei loro elettrodi e rendendole inservibili in tempi eccessivamente brevi.

Un secondo problema presentato dalle convenzionali candele è posto dalla loro posizione: esse sono montate sulla testa del cilindro e sporgono di poco dalle preti dello stesso. Quando innescano il combustibile esso inizia la sua esplosione, ovviamente, dal punto in cui e’ scoccata la scintilla, per poi espandersi al resto del cilindro. A causa della posizione di accensione, il fronte della fiamma incontrerà molto presto le pareti del cilindro, più fredde della miscela incendiata ed esse tenderanno a raffreddarla, cosa che renderà meno efficiente la combustione della miscela non ancora attiva.

Fino ad oggi non vi erano soluzioni a questi problemi, ma ecco entrare in gioco il laser. Takunori Taira e i suoi colleghi dell’istituto nazionale giapponese di scienze naturali (Japan’s National Institute of Natural Sciences) e dell’istituto nazionale rumeno per la fisica dei laser, dei plasmi e della radiazione ( Romania’s National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics) sono, infatti, riusciti a realizzare un laser in grado di sostituire le candele all’interno dei motori a scoppio, risolvendone i problemi.

L’idea di utilizzare i laser come candele non è nuova, ma si è sempre scontrata con problemi di difficile soluzione: innanzitutto la potenza necessaria. Fino a pochi anni fa i laser in grado di generare la potenza richiesta per accendere una miscela povera di combustibile erano così grossi da non poter entrare nel cofano di una macchina e troppo esosi in termini energetici. Il gruppo di Taira ha realizzato un laser allo stato solido utilizzando come materiale attivo un materiale ceramico chiamato YAG (da Ittrio (Y), Alluminio e Granato) drogato, ovvero arricchito con piccole quantità di altre sostanze, con due metalli, il neodimio e il cromo. Fondendo la ceramica in due bastoncini separati drogati con i due metalli diversi, hanno realizzato due laser con lunghezze d’onda, ovvero colori, leggermente diversi. Essi sono poi stati incollati insieme a formare un solo laser a doppia emissione. La dimensione di questo dispositivo è notevole: solo 9 millimetri di diametro e 11 di lunghezza. I due raggi laser possono essere utilizzati per incendiare due punti diversi della miscela ottimizzando ulteriormente la combustione. Siccome un impulso solo di questo laser non è sufficientemente energetico per incendiare le miscele più povere, il laser “spara” ad ogni ciclo una serie di brevi impulsi della durata di circa 800 picosecondi (800 millesimi di miliardesimo di secondo).

Non avendo elettrodi, questi laser, ormai perfettamente in grado di essere alloggiati nel vano motore, non soffrono del problema di consunzione che affliggerebbe le candele nei casi di miscele povere. Il laser, però, è anche in grado di superare l’altro problema di cui ho accennato sopra: siccome l’accensione avviene solo quando la potenza ottica è sufficientemente elevata in un determinato volume di miscela, l’innesco avverrà solo dove il laser è a fuoco, un po’ come avviene quando si cerca di dar fuoco ad un pezzo di carta con una lente di ingrandimento e il Sole. Ai progettisti è sufficiente assicurarsi che il laser sia a fuoco al centro del volume di miscela per ottenere una combustione ottimale e più veloce, senza che le pareti del cilindro la raffreddino prematuramente.

Infine, ora che le fasi del motore a scoppio vengono progettate con tempistiche precisissime e strettissime, il fatto che questo laser sia in grado di fornire l’energia di innesco in miliardesimi di secondo invece di millesimi come avviene con le attuali candele.

Nonostante non siano ancora in commercio, pare che, a sentire i ricercatori giapponesi, questa tecnologia sia già molto matura e i principali ostacoli superati. Essi stanno ora collaborando con partner industriali per rendere commerciabile l’idea.

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