La ricerca europea si confronta alle sfide della prova del fuoco
Lo scudo termico di un veicolo spaziale che entra nell’atmosfera di un pianeta e la biomassa legnosa nelle applicazioni di energia rinnovabile sono entrambi sottoposti a un processo autosufficiente fisico e chimico conosciuto come pirolisi. La caratterizzazione della pirolisi in questi materiali porosi è fondamentale per la progettazione ideale di sistemi di protezione termica (Thermal Protection Systems o TPS) per le missioni spaziali e di reattori pirolitici che ottimizzino la produzione di bio-idrocarburi e di carbonio solido. Grazie al supporto di una borsa di studio individuale delle azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto PATO ha combinato con successo e in maniera eccezionale lo studio sperimentale e teorico di queste due aree chiave.
Atterrato dallo spazio
Nel 2009, Jean Lachaud, ora professore associato presso l’Università di Bordeaux, iniziò a scrivere uno strumento di simulazione numerica per la National Aeronautics and Space Administration (NASA) chiamato «Porous material Analysis Toolbox» (PATO) per lo studio di materiali porosi impiegati nei sistemi di protezione termica. Basato sul software di fluidodinamica computazionale gratuito e open-source OpenFOAM, PATO è stato rilasciato a 20 gruppi negli Stati Uniti e in Europa dal 2012, soprattutto per progetti presso la NASA e l’Agenzia spaziale europea (ESA), e la collaborazione è in corso. Lachaud continua a rilasciare aggiornamenti per conto della NASA due volte all’anno e il supporto standard agli utenti viene fornito gratuitamente. Nel 2014, Lachaud ha consolidato il proprio piano di utilizzare PATO per modellare la pirolisi della biomassa, nonché per sviluppare modelli predittivi e un innovativo reattore pirolitico. A questo punto è nato il progetto PATO, supportato dalla borsa di studio individuale delle azioni Marie Skłodowska-Curie (MCSA), con Lachaud come borsista MCSA e Azita Ahmadi della Grande Ecole di tecnologia (ENSAM) come coordinatrice e supervisore del progetto. «Il progetto PATO è intervenuto su miglioramenti significativi ai modelli esistenti di pirolisi, sostenuti dalla progettazione, dalla costruzione e dall’uso di una struttura sperimentale dedicata, al fine di caratterizzare appieno le reazioni chimiche nei mezzi porosi», afferma Lachaud.
Una questione di resine
I sistemi di protezione termica delle strutture aerospaziali sono generalmente progettati con compositi di carbonio e fenoli e consistono in fibre di carbonio rigide a bassa densità impregnate di una resina polimerica fenolica. Il composito di lignocellulosa del legno ha una struttura simile in cui le fibre di cellulosa ed emicellulosa sono «connesse» dal polimero organico lignina. Lachaud spiega: «Quando il calore si diffonde dallo strato limite fino all’interno del materiale, nello stato quasi stazionario, l’evoluzione del materiale vergine può essere divisa in quattro zone: essiccazione, pirolisi, rottura e cokefazione, e infine ablazione e combustione senza fiamma. La modellizzazione ha affrontato le limitazioni degli approcci a quattro fenomeni fisico-chimici che si verificano nei materiali dei sistemi di protezione termica durante l’ingresso in atmosfera, e nella biomassa durante la pirolisi».
La ricerca sulla pirolisi si riscalda
Uno degli obiettivi fondamentali delle borse di studio individuali MCSA è la reintegrazione in una posizione di ricerca di lungo termine in Europa, anche all’interno dei paesi di origine dei ricercatori. Dopo un anno produttivo con ENSAM e il relativo parternariato con il dipartimento di fluidi vettori d'energia (link in francese) presso l’Istituto di meccanica e ingegneria dell’Università di Bordeaux, Lachaud ha accettato un’offerta come professore associato. Sebbene ciò abbia interrotto il progetto PATO, il lavoro pionieristico continua. Lachaud riassume: «La piattaforma PATO continua ad essere aggiornata, così come le simulazioni dei reattori pirolitici. I miglioramenti al prototipo del reattore dovrebbero condurre alla commercializzazione dei reattori pirolitici, con un impatto importante sia sulla ricerca che sulle applicazioni industriali dei materiali porosi».
Parole chiave
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