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I materiali di origine biologica potrebbero rendere i compositi più ecologici

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Il legno, un materiale composito naturale, ha dato un contributo fondamentale agli inizi dell'aviazione ed è tuttora utilizzato nell'aviazione leggera. Tuttavia, nella produzione di aerei commerciali è stato soppiantato dal metallo per diverse ragioni, come la rigidità dell'alluminio rispetto al suo peso. Ma ora che l'industria ha rivolto la sua attenzione alla sostenibilità, il legno potrebbe tornare ad aiutare l'aviazione.

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I materiali compositi, in particolare le plastiche rinforzate con fibra di carbonio, si stanno gradualmente diffondendo nella costruzione delle cellule, grazie alla loro leggerezza. Questa qualità si traduce in un minor consumo di carburante e in un percorso verso la sostenibilità. Il risparmio di carburante è il risultato principale dell'utilizzo dei materiali compositi nel corso del ciclo di vita di un aeromobile, consentendo di recuperare nel tempo l'elevato consumo energetico della produzione di compositi.

. È in corso la ricerca di un processo di produzione più sostenibile

. La fibra di carbonio potrebbe essere creata dal legno anziché dal petrolio

Poiché il settore aerospaziale cerca di ridurre la propria impronta ambientale, sarebbe auspicabile apportare modifiche al processo di produzione dei compositi di origine fossile. È qui che il legno potrebbe svolgere un ruolo importante: La fibra di carbonio potrebbe essere creata dalla cellulosa o dalla lignina, i due principali ingredienti del legno, grazie a una tecnica più efficiente.

Quando si utilizzano i compositi, non si può ignorare l'origine fossile delle materie prime. Quando il mondo smetterà di affidarsi al petrolio, questo rimarrà sotto terra e sarà necessaria una sostanza diversa per i materiali compositi.

E queste sono solo due delle numerose questioni ambientali che i ricercatori stanno prendendo in considerazione per la produzione di compositi. In gioco c'è anche la tossicità di alcuni ingredienti, come il bisfenolo A contenuto nelle resine epossidiche.

Sono in corso tentativi di sostituire la fibra di carbonio di origine fossile. Lufthansa Technik presenta AeroFLAX come il primo tessuto preimpregnato rinnovabile, eco-efficiente e di grado aerospaziale. Le fibre provengono dal lino e la resina utilizza come materia prima gli scarti agricoli, ad esempio quelli del raccolto di mais. AeroFLAX è in fase di ricerca e tecnologia. È adatto per i componenti interni delle cabine, ma non per le parti della cellula che sostengono carichi elevati.

Guidato dal centro di ricerca e tecnologia IRT Jules Verne di Nantes, in Francia, il programma Suspens sta studiando l'effetto ambientale della produzione di strutture composite leggere. È iniziato a gennaio e la durata prevista è di 3,5 anni. Il programma beneficia di un finanziamento di 4,9 milioni di euro (5,3 milioni di dollari) nell'ambito di un programma di sostegno della Commissione europea.

Oltre ai settori delle imbarcazioni da diporto e dell'industria automobilistica, si prevede che anche l'industria aerospaziale beneficerà del lavoro, grazie al forte orientamento storico dell'IRT Jules Verne verso l'aviazione. Il consiglio di amministrazione dell'IRT Jules Verne è presieduto dal direttore dello stabilimento Airbus di Nantes.

Il cuore del problema è un processo di carbonizzazione ad alta intensità energetica. Il precursore abituale della fibra di carbonio, di origine fossile, si chiama poliacrilonitrile (PAN). Per trasformarsi in fibra di carbonio deve essere carbonizzato a temperature di 1.500-2.000 C (2.730-3.630 F), spiega Mehdi Marin, responsabile del programma Suspens dell'IRT Jules Verne.

Un'idea del programma Suspens è quella di utilizzare la lignina - la matrice del legno, al contrario del rinforzo in fibra di cellulosa - come precursore, sostituendo così il PAN. Da una soluzione di lignina, si creerebbe un filo che verrebbe poi carbonizzato a temperature inferiori di diverse centinaia di gradi Celsius rispetto al PAN, spiega Marin.

La priorità di Suspens è garantire che la fibra di carbonio risultante abbia le stesse prestazioni della fibra convenzionale prodotta a partire dal PAN, sottolinea Marin.

Paradossalmente, la cellulosa, la fibra di legno, non è un buon precursore di fibra di carbonio come la lignina. Nell'ambito di Suspens, la cellulosa sarà utilizzata direttamente come rinforzo (anziché come precursore), afferma Marin. Potrebbe trovare applicazione per i pannelli interni delle cabine.

Nel frattempo, il 95% delle resine di origine biologica potrebbe essere sintetizzato da lino, colza, olio di ricino o alghe, afferma Marin. Suspens si sta concentrando sui compositi termoindurenti piuttosto che sui termoplastici. Per il settore aerospaziale, gli ingegneri stanno cercando di creare resine epossidiche.

Sebbene il programma Suspens non stia conducendo uno studio completo della catena di approvvigionamento della materia di origine biologica, questo aspetto viene preso in considerazione per gli ingredienti delle resine, afferma Marin.

Nella fase di produzione dei pezzi, gli ingegneri Suspens stanno studiando le modifiche alla composizione chimica e al comportamento della resina per ridurre i tempi di polimerizzazione. Attualmente la polimerizzazione richiede diverse ore a temperature di 100-180°C, afferma Marin.

Nell'ambito del programma, verrà progettata e costruita un'ala in scala ridotta, lunga 60 cm (24 pollici). L'idea è di convalidare i progressi di Suspens su un componente a struttura cava con una forma complessa e una forte esigenza di rigidità. Potrebbe anche essere utilizzato come dimostratore di foil per l'industria nautica da diporto.

Un criterio che un materiale composito di grado aerospaziale deve soddisfare sarà oggetto di particolare attenzione: una temperatura di transizione vetrosa sufficientemente alta da evitare il deterioramento delle prestazioni meccaniche. I requisiti di certificazione richiedono che la cellula resista a 80°C (ad esempio in un aeroporto estremamente caldo) e deve essere garantito un margine di 30°C per la transizione vetrosa, dice Marin.