Energie alternative: l’energia di torsione nella Stazione Spaziale Internazionale

Al giorno d'oggi si parla molto di energie alternative. I sistemi di accumulo delle energie più conosciute sono pale eoliche e pannelli fotovoltaici. Anche nella Stazione Spaziale Internazionale si utilizzano le celle fotovoltaiche per l'accumulo di energia solare. Tuttavia, le batterie collegate a queste celle sono massicce e la loro durata spesso limita il decorso di una missione spaziale. I cilindri rotanti, come le ruote di reazione ed i giroscopi, vengono spesso utilizzati per controllare l'orientamento senza consumare propellente. Sebbene questi dispositivi posseggano una grande quantità di energia cinetica rotazionale, non ci sono mezzi per riconvertirla in forma elettrica. Per questo motivo, sulla ISS, sono stati realizzati degli esperimenti per fare si che sistemi a volano meccanico possano immagazzinare l'energia di torsione.

Energia di torsione e sistemi a volano meccanico

Per energia di torsione si intende l'energia cinetica associata al moto di rotazione di un corpo rigido. In pratica, la sua energia rotazionale. Il lavoro meccanico dato da questa forza è la coppia, cioè il momento meccanico, per l'angolo di rotazione, mentre la potenza è data dalla coppia motrice per la velocità angolare. Un buon esempio di utilizzo dell'energia rotazionale terrestre è la posizione dello spazioporto europeo nella Guiana francese. È circa a 5 gradi dall'equatore, quindi i lanci di razzi spaziali da qui ottengono la spinta dovuta alla velocità di rotazione della terra all'equatore. Sfruttando l'effetto fionda abbiamo un risparmio significativo di carburante. Un altro buon utilizzo è in aggiunta all'energia delle maree. L'attrito delle onde di marea rallenta infinitamente la velocità angolare della Terra. A causa della conservazione del momento angolare, questo processo trasferisce il momento angolare al movimento orbitale della Luna, aumentando la sua distanza dalla Terra e il suo periodo orbitale. I volano meccanici sono oggetti che hanno generalmente la forma di dischi o ruote, opportunamente sagomati per aumentare il momento d'inerzia dell'albero motore a cui sono applicati. In alcuni casi possono essere multiuso. Nella Stazione Spaziale, per esempio, possono immagazzinare l'energia e far mantenere il controllo dell'assetto. Un'applicazione di questo tipo consente di ridurre la massa di qualsiasi veicolo spaziale. Motivo per cui è una interessante alternativa alle batterie.

L'esperimento

L'esperimento consiste in due rotori controrotanti posti in alloggiamenti sottovuoto e fatti levitare con cuscinetti magnetici. I generatori di moto collegano i rotori al sistema di alimentazione elettrica esistente in modo che possano immagazzinare energia quando è disponibile dagli array fotovoltaici e fornire energia quando è necessaria. Ogni rotore, costituito da un mozzo metallico e da un cerchio di materiale composito, ha un diametro di circa 28 cm e una lunghezza di 33 cm, e ruota a velocità angolari comprese tra 15.000 e 50.000 giri/min. ACESE, acronimo di Attitude Control and Energy Storage Experiment ("Esperimento di controllo dell'assetto e accumulo dell'energia"), è stato progettato per immagazzinare la stessa quantità di energia di due batterie. E' collegato al traliccio fuoribordo di tribordo della Stazione e funziona in combinazione con le batterie esistenti, come si osserva in Figura 1.

Figura 1: alloggiamento dell'esperimento ACESE

L'obiettivo principale dell'esperimento è quello di dimostrare l'accumulo di energia, mentre l'obiettivo secondario è quello di utilizzare i volani per esercitare una coppia motrice sulla Stazione. Le misure possono essere ottenute indirettamente esaminando la telemetria.

Simulazione

Si è utilizzato un programma che integra numericamente le equazioni di moto che governano il comportamento di un veicolo spaziale a più gradi di libertà; si tratta di un programma generalmente utilizzato per valutare le prestazioni di schemi di controllo dell'assetto. Gli analisti sono in grado di studiare l'interazione del controllo dell'assetto con altre attività della Stazione Spaziale come la raccolta di energia solare, la radiazione dovuta al calore in eccesso, le operazioni da remoto e gli esperimenti di microgravità. Le simulazioni coinvolgono simultaneamente il controllo dell'atteggiamento del corpo centrale con un gestore di momento del giroscopio o un sistema di controllo della reazione (o entrambi), il controllo indipendente del feedback di ciascun campo solare e l'angolo di giunzione del radiatore, il trasporto di carichi utili con un trasportatore mobile o un manipolatore remoto.

Modellizzazione

Figura 2: dettaglio del volano dell'esperimento ACESE

Tutti i corpi sono trattati come rigidi nelle simulazioni da discutere; un rotore del volano, che vediamo in Figura 2, è considerato un cilindro circolare retto la cui massa è distribuita uniformemente. Il modello del collegamento fisico tra un rotore e il traliccio fuoribordo è così più semplice e appropriato per lo studio del comportamento di assetto della Stazione. In un tale modello, l'asse di rotazione del rotore è fissato nel traliccio esterno e nel rotore; ovvero, il modello non tiene conto di eventuali variazioni di direzione dell'asse di rotazione rispetto al traliccio fuoribordo, che sono di fatto consentite dai cuscinetti magnetici, né consente alcun movimento di cono del rotore. La contro rotazione dei due rotori richiede che i loro assi di rotazione siano paralleli. Il moto relativo tra la carrozzeria e il suo corpo entrobordo può essere determinato nelle simulazioni mediante un motore; si considera che le masse dei due corpi includano la massa delle parti del motore. Il corpo entrobordo esercita una coppia sul corpo fuoribordo attraverso il motore e, in conformità con la legge di azione e reazione, al corpo entrobordo viene applicata una coppia di uguale grandezza e direzione opposta. Un motogeneratore ACESE è rappresentato da un motore il cui comportamento elettrico dettagliato non ha bisogno di essere modellato.

Geometria del sistema

Il focus è il calcolo della coppia che deve essere esercitata da ciascuno dei due motori al fine di applicare una coppia risultante al traliccio fuoribordo e modificare l'energia cinetica della coppia di rotori a una velocità specificata. L'obiettivo di utilizzare ACESE per esercitare la coppia sulla stazione, e farne una misura, solleva interrogativi sulla direzione e l'entità della coppia che sarà la migliore per questo scopo. A quanto pare, l'orientamento degli assi di rotazione dei rotori è dettato più dalla geometria di ACESE e dal sito a cui deve essere collegato. Tuttavia, è casuale che i vincoli geometrici conducano a una direzione che facilita il controllo dell'assetto. Il vettore viene così fissato anche nel corpo centrale, nella cosiddetta direzione Stazione "y", portando a semplificazioni analitiche ed operative per quanto riguarda la direzione della coppia applicata dai rotori A e B alla Stazione.

Una forma sinusoidale è suggerita da due aspetti dell'esperimento del volano. In primo luogo, quando la Stazione passa dalla luce solare all'ombra della Terra e di nuovo alla luce solare, i volani si caricheranno alternativamente con l'elettricità dai pannelli solari e scaricheranno la loro energia nel sistema di alimentazione. In secondo luogo, esercitare una coppia motrice con la coppia di volani richiederà che le loro velocità di rotazione siano diverse; questa caratteristica deve essere eventualmente modificata in modo che la coppia di volani sia di nuovo in grado di immagazzinare energia senza esercitare una coppia motrice sulla Stazione. Se possibile, la coppia motrice dovrebbe essere applicata dai volani in modo tale da assistere i CMG, Control Moment Gyroscopes ("Giroscopio a momento di controllo") nel loro lavoro di controllo dell'orientamento del corpo del nucleo della Stazione, mantenendola in equilibrio di coppia.

Malfunzionamenti

Idealmente, l'accumulo e lo scarico di energia avvengono quando i rotori sono controrotanti e la coppia di volani non applica coppia motrice al traliccio fuoribordo. Tuttavia, possono verificarsi malfunzionamenti in cui i rotori non sono più in contro rotazione. Una di queste situazioni implica dover portare un rotore a un arresto brusco mentre l'altro rotore continua a girare. Una seconda condizione di questo tipo si verifica quando l'accumulo di energia è effettuato con un solo rotore. Entrambe queste situazioni vengono esaminate di seguito. [...]

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