Copiare le megattere per turbine più efficienti

La bio-mimetica (letteralmente imitazione della vita), è una scienza che prende spunto dalle migliori “idee” della natura per migliorare le attività e le tecnologie umane. Una particolare branca di questa scienza, detta anche bio-ispirata, è quella relativa alla fluidodinamica che si occupa, in particolare, di studiare come alcuni animali, tra i quali uccelli, pesci e insetti, riescano a ottenere performance incredibili, spesso non giustificabili con le nostre attuali conoscenze. Uno di questi è la megattera (megaptera novaeangliae), la specie di cetaceo sicuramente più rappresentativa, che affascina l’uomo con le sue vocalizzazioni e le sue danze, impreziosite dai grandi salti che riesce a fare nonostante la mole. Un’incredibile agilità resa possibile dalle grandi pinne pettorali che possono superare i 5 metri, estremamente flessibili e dotate dei cosiddetti tubercoli, strane protuberanze che si sviluppano sul bordo di entrata, la parte anteriore della pinna.

Proprio i tubercoli sono oggetto di numerosi studi perché, è oramai appurato, la loro presenza migliora le caratteristiche fluidodinamiche delle pinne stesse. Non a caso già esistono le prime applicazioni su oggetti relativamente semplici, come turbine eoliche e ventilatori di ogni tipo (per esempio da soffitto industriali e ventole per computer) ma anche su turbine marine utilizzate per ricavare energia dalle correnti, simili a quelle eoliche, sulle quali “la presenza dei tubercoli sul bordo di entrata del profilo alare della pala crea delle strutture vorticose che ritardano la separazione del flusso e, quindi, lo stallo. Non è invece chiaro in quali condizioni questi vortici diano effettivi benefici. Anche perché sulla pala di un’elica o di una turbina noi possiamo riprodurre la geometria dei tubercoli ma non riusciamo a riprodurre la deformabilità e i movimenti delle pinne delle megattere”, spiega Francesco Salvatore, ricercatore dell’Istituto di Ingegneria del mare (Inm) del Cnr.

A differenza delle pale di una turbina, infatti, le megattere possono cambiare forma e posizione delle loro pinne istante per istante, a seconda del movimento che vogliono compiere. Un po' quello che fanno gli uccelli con le ali durante il volo. “Le pinne delle megattere sono una macchina molto complessa, rispetto alla quale ci ‘accontentiamo’ di capire e riusciamo a riprodurre con un sufficiente grado di fedeltà solo una piccola parte, i tubercoli appunto. Almeno fino a quando non saremo in grado di costruire eliche con pale deformabili e soprattutto capire il meccanismo di feedback che permette alla balena di modificare la geometria delle pinne nel modo più efficace, istante per istante. In pratica, fino a quando non saremo in grado di costruire eliche o turbine ‘intelligenti’, ovvero in grado di deformarsi continuamente per adattarsi al meglio alle condizioni istantanee e fornire la massima efficienza. Parliamo di tecnologie avveniristiche e di algoritmi di controllo e gestione estremamente complessi che, per il momento, sono decisamente futuristici”, continua Salvatore.

Anche nel campo navale sono in corso studi e sperimentazioni promettenti. “In futuro le eliche delle nostre imbarcazioni e navi potrebbero essere dotate di tubercoli, soprattutto per alcune applicazioni dove sono richieste performance elevate e sono previsti campi di utilizzo molto estesi. Oppure in condizioni di lavoro fuori progetto, off design” aggiunge Fabrizio Ortolani del Cnr-Inm, che da alcuni anni segue una serie di studi ed esperimenti proprio su tali applicazioni. “Inoltre, i tubercoli potrebbero avere ricadute positive sulla cavitazione, riducendone gli effetti sia degenerativi sia di rumorosità +, a vantaggio delle prestazioni, del confort dei passeggeri e dell’ambiente. La maggior causa di inquinamento acustico in mare è infatti legata al rumore prodotto dall’elica durante la navigazione, con problemi specialmente per i mammiferi marini, che non riescono a comunicare tra loro”.

Molto probabilmente, se per vedere un’elica con i tubercoli dovremo aspettare ancora qualche anno, sui profili alari semplici i tubercoli sono già una realtà: vanno anche ricordate le applicazioni in Formula 1, dove i tubercoli sono stati applicati al bordo d’attacco dell’alettone posteriore della Mclaren MP4-29 nella stagione 2013-14. Così come “non ci sarà da stupirsi se la prossima novità delle barche dell’America’s Cup fossero dei nuovi foil dotati proprio di tubercoli”, commenta Ortolani. In ogni caso, siamo solo agli inizi di un lungo lavoro di studio, ricerca e sperimentazione finalizzato a comprendere questa meravigliosa macchina della natura rappresentata dalle pinne delle megattere. “D’altronde, la balena ha impiegato qualche milione di anni per ottimizzare la forma delle sue pinne e imparare a gestirle al meglio”, conclude Salvatore.

Fonte: Francesco Salvatore, Istituto di ingegneria del mare, francesco.salvatore@cnr.it; Fabrizio Ortolani, Istituto di ingegneria del mare, fabrizio.ortolani@cnr.it