Death Stranding e l’energia eolica: tecnologie futuristiche per sanare il mondo

Come si ricava energia dal vento? Le invenzioni dal mondo dell’ingegneria ci svelano una varietà di soluzioni sempre più green

Immagine da Death Stranding, videogioco di Hideo Kojima, in cui si osserva il generatore eolico che è possibile realizzare per ricaricare le batterie dei veicoli nel gioco.

La necessità di affidarsi a fonti rinnovabili e pulite per la produzione di energia è ogni giorno più forte e grazie all’assiduo lavoro di scienziati e ingegneri è sempre più semplice ed efficiente. L’energia eolica è sicuramente tra quelle di più vecchia data e oggi riceve nuova vita grazie ai modelli Vortex Bladeless e TYER wind.

Vento e turbine: da dove viene l’energia?

Death Stranding è un videogioco uscito l’8 novembre 2019, ideato da Hideo Kojima e prodotto dall’omonima Kojima Productions, ambientato in un mondo post-apocalittico. In questo contesto gli USA sono stati annientati dalla calamità che dà il nome al gioco e che fa riferimento al fenomeno dello spiaggiamento dei cetacei sulle spiagge. Il gioco in sé ha ricevuto voti variegati e le differenze sono spesso dovute a sensazioni personali ed aspettative, in quanto effettivamente è lontano dall’archetipo classico del gioco d’azione cui viene paragonato. I livelli di lettura dell’opera sarebbero molteplici e le idee, le allusioni, i rimandi brillanti si sprecano, ma nell’affascinante mondo creato dall’autore c’è un dettaglio curioso: dopo la catastrofe, i sopravvissuti ottengono l’energia elettrica che serve loro da impianti eolici (il “parco eolico” è una delle mete visitabili nelle prime ore di gioco) e ai giocatori è permesso costruire delle vere e proprie turbine nel proprio mondo di gioco. Ma siamo sicuri di sapere come funzionano? Innanzitutto, è necessario capire perché una turbina eolica funziona. Per capirlo ci affideremo al modello più conosciuto, ovvero gli aerogeneratori ad asse orizzontale: le classiche torri bianche con un rotore sulla cima simile all’elica di un aeroplano. Il vento è una massa d’aria atmosferica in movimento, da una zona ad alta pressione ad una a bassa pressione, e in quanto tale possiamo considerarla un fluido in movimento. Immaginando che tale massa si muova in un condotto (nell’ambito della fisica si parlerebbe di tubo di flusso), è possibile analizzare cosa succede quando incontra le pale dell’aerogeneratore. Il vento esercita su di esse una forza di pressione, o – per dirla diversamente – le pale oppongono resistenza allo scorrere del fluido: ciò fa sì che la quantità di moto dell’aria diminuisca. Essendo la quantità di moto il prodotto della massa e della velocità, ma non potendo variare la massa del vento, è evidente che allora sia la sua velocità a diminuire. In un tale sistema, però, la quantità di moto totale (la somma di quella del vento e della turbina) rimane costante: se il vento ne perde, la turbina ne guadagna. E’ così che il rotore inizia a girare e, collegando il mozzo a un moltiplicatore di giri e poi a un generatore, l’energia meccanica viene convertita in elettrica. Il passaggio nel trasformatore e da lì nei cavi completa il processo, inviando alle nostre case l’energia di cui abbiamo bisogno.

Schema dell’aerogeneratore ad asse orizzontale: si notino il blocco del rotore e i passaggi nel moltiplicatore di giri, nel generatore e nel trasformatore. (Fonte: e-nsight.com)

Asse orizzontale, verticale, off-shore… La varietà nella produzione

Le tecnologie usate per ottenere energia dal vento sono variegate, tanto quanto le soluzioni adottate per installare gli impianti. Nonostante la loro indubbia efficacia, gli impianti eolici sono spesso criticati per l’impatto paesaggistico che possono avere e talvolta anche per quello ecologico,  ovvero l’inquinamento collaterale che le loro installazione e manutenzione implicano. Alcuni studi hanno stimato che nell’arco della vita media di una turbina, che si attesta sui 20 anni, essa sia in grado di produrre l’equivalente di 80 volte l’energia spesa per montarla e farci manutenzione. Indubbiamente, però, sono strutture di grandi dimensioni e non sempre si ha spazio disponibile. Le tipologie di impianto principali sono tre. La wind farm è il parco eolico che i più conoscono, ovvero grandi aree di terreno adibite all’installazione di turbine. Tale tipologia richiede grandi spazi, soprattutto a causa dell’interferenza reciproca delle turbolenze generate dalle diverse pale, e vede il proprio utilizzo in aree del mondo molto pianeggianti come le praterie americane. L’eolico off-shore è quello che maggiormente rispetta il paesaggio, perché consiste nell’installare le turbine in mare al largo della costa, a discapito della salubrità delle acque. I materiali usati per le torri e i cavi che portano la corrente a riva sono rovinati dall’acqua salmastra e rovinano a loro volta l’ecosistema, senza contare le interazioni con la fauna. In queste zone il fondale può anche toccare gli 800 m di profondità ed è per questo che si opta spesso per torri galleggianti, come è comune fare nei paesi nordeuropei. Infine, l’eolico near-shore è simile al precedente, ma prevede l’installazione in acque basse e dunque più vicine alla riva. D’altro canto, è noto che le turbine generino rumore, sia per il movimento meccanico delle pale sia per le turbolenze generate nel flusso del vento, ma va detto che entro i 200 m tali rumori si confondono con il normale suono del vento. Tutti questi impianti sfruttano di solito aerogeneratori ad asse orizzontale, ovvero il modello già descritto. Questo, però, è molto diverso dal generatore visto in Death Stranding: nel videogioco, infatti, si osserva un generatore ad asse verticale. Tale tipologia è pensata per situazioni dove il potenziale eolico è alto, ma non si dispone di abbastanza spazio: è il caso delle applicazioni domestiche. Anche qui la quantità di modelli, prevalentemente dovuta alla forma delle pale, è enorme, ma il fattore comune è la presenza di una coppia di pale delle quali una gira a favore del vento e l’altra in direzione contraria: non ci si oppone più all’azione del vento, ma anzi la si asseconda. I vantaggi sono dovuti alla maggior velocità di rotazione, che significa avere meno attriti e più efficienza, alla maggior resistenza alla spinta del vento e all’indipendenza dalla direzione del flusso, che garantisce l’azione continua senza dover orientare le pale. Non pensiate, tuttavia, che sia finita qui. Recentissime invenzioni ci mostrano che con l’ingegno è possibile aprire panorami ancora più vasti.

L’eolico ad asse verticale è spesso usato nel campo del micro-eolico, ovvero le installazioni domestiche.

TYER wind: lasciarsi ispirare dalla natura

Copiare la natura si è quasi sempre rivelata una scelta vincente nelle sfide tecnologiche, come ammiriamo nei magistrali lavori di Leonardo da Vinci o, più nel concreto, in invenzioni come il velcro, soluzione ideata dall’ingegnere George de Mestral incuriosito da alcuni fiori di bardana che erano rimasti attaccati alla sua giacca. Tale tecnica si chiama biomimesi e consiste nello studiare un fenomeno che già accade in animali o piante per descriverlo attraverso leggi matematiche e riprodurlo artificialmente. TYER wind è una startup tunisina che ha fatto proprio questo. Grazie agli studi di Anis Anouini, l’azienda usufruisce di una tecnologia che chiama 3D Aouinian Kinematics, che consente di trasformare un movimento lineare in uno rotatorio. L’idea è ispirata ai colibrì, i piccoli uccelli che sono in grado di rimanere sospesi in volo grazie al movimento ad otto delle loro ali. Per riuscirci, usano la propria energia per compiere lavoro sull’aria. Il generatore della TYER wind fa l’esatto opposto: lascia che il vento compia lavoro sulle ali e ne ricava energia elettrica. Le dimensioni sono ridotte, perché le ali/pale misurano appena 1.6 m ciascuna, rendendola un’idea interessante per le applicazioni domestiche. In più, il generatore lavora sia nella fase di discesa che di salita delle ali e questo riduce le sollecitazioni sulla struttura, abbassando anche la necessità di manutenzione. Si riportano di seguito le specifiche essenziali del progetto.

Le pale del TYER wind ruotano ad otto come le ali di un colibrì, portando una ventata di novità nel settore dell’energia eolica .(fonte: tyerwind.com)

Dimentichiamoci delle pale con Vortex Bladeless

E se ora vi fosse detto che grazie ad una startup spagnola potremo ricavare energia dal vento senza dispositivi dotati di pale? Probabilmente non ci credereste, ma Vortex Bladeless Ltd. è qui proprio per farvi ricredere. Il loro omonimo progetto, infatti, non usa la spinta del vento per far girare delle pale, ma si rifà agli effetti della scia di von Karman e del conseguente flutter. Entrambi sono fenomeni derivanti dall’interazione tra corpi solidi e una corrente di fluido che li investe. Il primo prende il nome dal fluidodinamico ed ingegnere Theodore von Karman, che lo descrisse matematicamente nel 1911: quando un flusso di fluido incontra un corpo tozzo può generare a causa dell’interferenza di quest’ultimo una serie di coppie di vortici che modificano le condizioni di pressione intorno al corpo. In genere si cerca di evitare tale fenomeno in ingegneria perché le forze laterali di pressione così create si alternano con una frequenza che, se troppo vicina a quella naturale del corpo, lo fanno entrare in risonanza oscillando pericolosamente. Il flutter, infatti, è descritto come il fenomeno aeroelastico che fa vibrare oggetti come profili alari o ponti; in tal senso fu d’insegnamento il disastro del Ponte di Tacoma Narrows del 1940, di cui in rete si trova il video: le oscillazioni dovute al vento erano troppo vicine alla frequenza naturale e ciò causò il crollo del ponte stesso. Vortex Bladeless gira a proprio favore la situazione. Un involucro esterno in resina rinforzata da fibre di carbonio o vetro e fissato a un asta elastica cui trasferisce il proprio moto oscillatorio causato dal vento. Inoltre, alla base si trovano dei magneti repellenti che spingono il palo in direzione opposta e aumentano così l’ampiezza dell’oscillazione. La potenza nominale è di soli 100 W, ma due fattori giocano a favore di questa tecnologia. In primo luogo richiede poca manutenzione e i componenti sono meno costosi, complice un design intelligente e l’attenzione ai dettagli: per dirne uno, per garantire maggior stabilità il centro di massa è stato portato più verso il suolo riducendo parallelamente i costi per i lavori di fondazione. In secondo luogo, le turbolenze generate non infastidiscono altri generatori vicini ed anzi averne un certo numero in un solo luogo ne aumenta l’efficienza tramite un sistema di feedback positivo. In futuro potrebbe essere usato soprattutto nei centri urbani, dopo ulteriori analisi su costi e benefici. Sarà allora questa la tecnologia del futuro? Difficile dirlo, ma è certamente rasserenante sapere che la ricerca di nuovi modi di sfruttare le risorse rinnovabili non si ferma mai.

Parco eolico di Vortex Bladeless: il design snello contribuisce a ridurre l’impatto paesaggistico, ma i vantaggi sono molti di più.

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