Studio e sperimentazione: imitando la natura, eliche bio-ispirate

La straordinaria agilità delle megattere, una delle tante specie di balena, è dovuta alle loro grandi pinne pettorali dotate di strane protuberanze: sono i tubercoli, uno degli elementi che conferiscono alle pinne stesse una grande efficienza.
È possibile adottare questo espediente per migliorare i profili idrodinamici che si utilizzano per le barche, le pale delle eliche in primis?

“Ogni cosa che puoi immaginare la natura già l’ha creata”. Sono parole di un certo Albert Einstein che ci fanno capire come, anche per una mente superiore come la sua, la natura sia stata fonte di ispirazione continua per ogni nuova idea, teoria, invenzione che l’uomo possa, appunto, anche solo immaginare.

A riguardo, oggi si è sviluppata una vera e propria scienza, la bio-mimetica (letteralmente imitazione della vita), che prende spunto dalle migliori “idee” della natura per il miglioramento delle attività e tecnologie umane.

Il primo passo di questa scienza, necessariamente, è quello di studiare e comprendere i processi alla base di quel dato fenomeno che si vuole imitare. Perché, imitare senza capire può portare a errori, anche grossolani. Non a caso, spesso si parla di scienza bio-ispirata, termine che, personalmente, preferisco. Una particolare branca di questa scienza, bio-mimetica o bio-ispirata che sia, è quella relativa alla fluidodinamica e si occupa, in particolare, di studiare come certi animali – uccelli, pesci, insetti eccetera – riescano ad avere performance incredibili, spesso non giustificabili con le nostre attuali conoscenze.

Le pinne delle megattere

C’è un animale che, da sempre, affascina l’uomo con le sue danze e le sue vocalizzazioni che sembrano dei veri e propri canti. Per non dire dei grandi salti fuori dall’acqua che riesce a fare nonostante la sua mole.

Parliamo delle megattere (megaptera novaeangliae), la specie di cetaceo che, tra le tante, è sicuramente quella più rappresentativa. La danza e i salti della megattera sono possibili grazie alle grandi pinne pettorali che possono raggiungere lunghezze pari anche a 1/3 del corpo. Considerando che una megattera adulta raggiunge mediamente i 15-17 metri di lunghezza, parliamo di pinne dell’ordine di 5 metri.

Sono le pinne pettorali più lunghe tra i cetacei. Non a caso il nome megattera, tradotto dal greco, significa proprio grande ala! Queste pinne sono caratterizzate da una flessibilità particolarmente accentuata e, soprattutto, dalla presenza di protuberanze di forma ellittica che si sviluppano sul bordo di entrata, la parte anteriore della pinna, con frequenza e dimensioni variabili. Queste protuberanze sono chiamate tubercoli e sono disposte in modo sinusoidale donando alle pinne un aspetto “a pettine”.

Se ne contano solitamente tra 9 e 11 (fig. 1). Proprio i tubercoli sono oggetto di numerosi studi perché, è oramai appurato, la loro presenza migliora le caratteristiche fluidodinamiche delle pinne conferendo all’animale un’alta capacità e rapidità di manovra che gli permette di effettuare danze armoniche, manovre repentine e grandi salti, molto utili soprattutto durante la fase di caccia. In realtà, queste straordinarie performance delle pinne sono dovute anche ad altri fattori, quali un alto fattore di allungamento (sono molto più lunghe che larghe) e, soprattutto, la possibilità di cambiare forma e posizione istante per istante a seconda del movimento che la megattera compie.

Un po’ quello che fanno gli uccelli con le loro ali durante il volo. Insomma, le pinne delle megattere sono una macchina molto complessa rispetto alla quale ci “accontentiamo” di capire e imitare solo una piccola parte, i tubercoli, l’unica cosa che riusciamo a riprodurre con un sufficiente grado di fedeltà. Almeno per ora.

Gli effetti dei tubercoli

La sorprendente destrezza della megattera è quindi dovuta principalmente alle sue pinne non convenzionali che, tra le altre cose, hanno la particolarità di avere queste grandi protuberanze dall’aspetto irregolare chiamate tubercoli sui loro bordi anteriori. Ma cosa fanno questi tubercoli?
Anche se non è ancora del tutto chiaro il loro funzionamento, è stato appurato che, rispetto a una superfice alare liscia, ogni tubercolo genera due vortici, uno per ogni lato. In questo modo, all’interno del canale tra due tubercoli contigui si trovano a scorrere due vortici controrotanti (counter-rotating vortex pairs, CVP) che, avanzando, cambiano progressivamente pressione e velocità locali del fluido (fig. 2). Di fatto i tubercoli generano, all’interno dello strato limite, un flusso turbolento che tende a separarsi più tardi rispetto a un flusso laminare come quello che ci sarebbe in assenza di tubercoli (fig. 3 e 4).

Tutto chiaro, vero? Senza entrare troppo in tecnicismi per addetti ai lavori, possiamo immaginare che i tubercoli disturbano lo scorrere ordinato dell’acqua sulla superficie del profilo causando la formazione di turbolenze, distacchi e vortici che aumentano lo spessore di acqua che scorre sul profilo (lo strato limite).

E, se questo da una parte determina un aumento di resistenza, dall’altra ritarda il fenomeno della separazione che si verifica quando aumenta troppo l’angolo di incidenza dell’ala (angolo con cui il flusso investe il profilo). Di fatto, viene ritardato il fenomeno dello stallo, soprattutto in presenza di grandi angoli di incidenza (fig. 5), senza sostanziali aumenti di resistenza indotta (forma di resistenza connessa alla portanza che rappresenta il “prezzo da pagare” per generare portanza).

In pratica i tubercoli aumentano il range di utilizzo del profilo alare che può lavorare con angoli di incidenza maggiori. Nel caso specifico delle megattere, i tubercoli sulle pinne consentono loro, ad esempio, di mantenere la “presa” sull’acqua ed effettuare virate con angoli più stretti, anche a bassa velocità.

Test in galleria del vento di modelli di pinne megattere con e senza tubercoli hanno mostrato che la presenza dei tubercoli riduce del 32{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} la resistenza, migliora dell’8{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} la portanza e, soprattutto, aumenta del 40{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} l’angolo di attacco prima dello stallo (fig. 6). Inoltre, si è visto che l’interazione tra i vortici prodotti dai tubercoli e lo strato limite ha anche l’effetto di ridurre la cavitazione e il rumore prodotto. Insomma, una tecnologia molto promettente ma ancora da studiare a fondo.

Le applicazioni

Come già accennato, sono diversi anni che la tecnologia dei tubercoli è oggetto di studi di ricercatori di tutto il mondo con risultati molto promettenti ma, allo stesso tempo, limitati a condizioni di funzionamento ideali, ovvero in flusso indisturbato. Le reali condizioni operative in cui lavora un’ala o un’elica che sia sono, invece, ben lontane dall’essere ideali in quanto si trovano quasi sempre a lavorare in flusso disturbato e/o inclinato, in presenza di vortici eccetera.

Applicazione della tecnologia dei tubercoli per ventilatori di ogni tipo, da quelli da soffitto industriali alle ventole per computer: consumano meno elettricità e fanno meno rumore (Envira-North Systems Ltd).

In ogni caso, alcune applicazioni concrete ci sono state. In particolare, un campo dove questa tecnologia sembra affermarsi più che in altri, almeno per ora, è quello delle turbine eoliche e ventilatori di ogni tipo (ventilatori da soffitto industriali e altri sistemi HVLS, high volume low speed, ventole per computer ecc.).

La Envira-North Systems Ltd. ha realizzato ventilatori da soffitto industriali per grandi edifici (fabbriche, magazzini) con la modifica dei tubercoli registrando un’efficienza maggiore del 25{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} e consumi di elettricità del 20{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} inferiori. Inoltre, questo modello è anche il 20{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} più silenzioso.

Invece, test effettuati su una turbina eolica da 35 kW a passo variabile, con palette modificate con i tubercoli, hanno evidenziato una maggiore produzione di energia elettrica a moderate velocità del vento in confronto alle palette standard. Questo grazie all’incidenza delle pale che può aumentare di circa 6°, passando da 11° a circa 17° senza incorrere nello stallo. Risultato: un incremento delle prestazioni del 40{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}.

I tubercoli hanno fatto la loro comparsa anche in campo automobilistico, in particolare nel mondo della Formula 1 nel corso della stagione 2013/14, quando sono stati applicati al bordo d’attacco dell’alettone posteriore della McLaren MP4-29. Ovviamente non sono mancati gli studi di possibili applicazioni dei tubercoli sulle ali degli aerei ma, per ora, siamo ancora a studi teorici-sperimentali.

E in acqua e sulle barche a che punto siamo?
Nella vela, i tubercoli emergono periodicamente come la panacea per timoni di barche da regata ad alte prestazioni, timoni che tendono a stallare o ventilare. Ma si tratta sempre di applicazioni estemporanee, frutto dell’estro del progettista di turno che si basa, soprattutto, più sul suo intuito che sui pochi dati disponibili.

Cosa dicono gli esperti

A questo punto, per saperne di più sui tubercoli e le loro applicazioni in campo navale e nautico, su eliche, foil, timoni eccetera, siamo andati all’Istituto di Ingegneria del Mare del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), meglio conosciuto come la vasca navale di Roma, dove alcuni ricercatori da anni conducono studi ed esperimenti proprio per capire meglio come funzionano i tubercoli e le loro possibili applicazioni … anche su una barca! A loro abbiamo rivolto qualche domanda.

Francesco Salvatore

Ingegnere e ricercatore di lungo corso, l’ingegner Francesco Salvatore da anni si occupa di studiare ed ottimizzare sia propulsori navali sia sistemi di generazione di energia dalle correnti marine, le cosiddette turbine idrocinetiche. Proprio su quest’ultime sta studiando l’effetto dei tubercoli disposti sulle pale, a imitazione di quelli tipici delle pinne delle megattere, al fine di valutare i possibili vantaggi nel campo della generazione di energia.

Per ricavare energia dalle correnti marine si utilizzano delle turbine marine simili a quelle eoliche che si utilizzano sulla terraferma per ricavare energia dal vento. È vero che queste strane protuberanze, i tubercoli, ne possono migliorare le performance?
La presenza dei tubercoli sul bordo di entrata di un profilo alare crea delle strutture vorticose che ritardano la separazione del flusso e, quindi, lo stallo. Questo è stato osservato in esperimenti di laboratorio e riprodotto con modelli computazionali. 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 ed i movimenti che hanno le pinne delle megattere.

Cosa intende? Ci spieghi meglio.
Le elevate performance delle pinne che consentono alle megattere incredibili movimenti ed evoluzioni sono dovute ad un insieme di elementi dei quali riusciamo ad imitare solo uno, la presenza dei tubercoli con una data geometria. Ma la pinna della megattera è anche deformabile e cambia il suo movimento che non è di sola rotazione come quello di un’elica o una turbina. In pratica la pinna della megattera può cambiare la sua geometria e fare dei movimenti di traslazione sui tre assi con velocità e accelerazioni variabili a seconda di come i sensi della megattera percepiscono il carico, lo scorrere del flusso sulla superficie, la presenza o meno di vortici in certe zone eccetera.

È un po’ come quando, durante la corsa, il nostro corpo trova da solo, istintivamente, il corretto equilibrio e gestisce la forza di ogni singolo muscolo in modo da avanzare a una certa velocità senza cadere, in salita, in discesa, sul terreno sconnesso eccetera.

Tutto ciò è impossibile con un’elica o una turbina realizzate con pale rigide. Almeno fino a quando non saremo in grado non solo di costruire eliche con pale deformabili, ma soprattutto capire il meccanismo di feedback che permette alle balene di modificare la geometria delle loro pinne nel modo migliore, più efficace. In pratica, fino a quando non saremo in grado di costruire eliche o turbine che potremo definire “intelligenti”, ovvero che siano 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.

Ci sta dicendo che, almeno per ora, anche applicando i tubercoli non potremo comunque ottenere l’efficienza della pinna di una megattera?
Esattamente. Però, anche se ridotti, alcuni benefici sono stati riscontrati. Esistono, infatti, diverse applicazioni di tubercoli sul bordo di entrata di un profilo alare che, come detto all’inizio, spostano in avanti il punto di stallo e fanno aumentare il range di lavoro del profilo stesso.

Parliamo di profili portanti come timoni ad alte prestazioni, foil, mentre per eliche o turbine non mi risultano applicazioni commerciali. In ogni caso stiamo parlando di benefici che si ottengono in condizioni ideali, ovvero di flusso indisturbato, che sono le condizioni in cui finora è stata studiata questa tecnologia.

Gli sforzi attuali sono infatti indirizzati a valutare gli effetti dei tubercoli anche nelle condizioni operative del profilo, elica o turbina che sia, ovvero in flusso disturbato o inclinato, in presenza di vorticosità preesistente eccetera. Sarà interessante comprendere gli sviluppi di questi studi per capire meglio in che direzione orientare il lavoro futuro. D’altronde la balena ha impiegato qualche milione di anni per ottimizzare la forma delle sue pinne e imparare a gestirle al meglio, mentre noi abbiamo appena iniziato!

Fabrizio Ortolani

Da alcuni anni, l’ingegner Fabrizio Ortolani è impegnato in una serie di attività sperimentali sulla cosiddetta biomimetica. In particolare, gli studi che sta conducendo con il gruppo di ricerca di cui fa parte si stanno concentrando sull’applicazione di tubercoli alle pale di un’elica navale, così come alle superfici di controllo, quali timoni, pinne stabilizzatrici o foil, al fine di comprendere i loro effetti e i possibili vantaggi nel campo della propulsione navale e della navigazione più in generale.

In futuro le eliche delle nostre barche saranno dotate di queste strane protuberanze, i tubercoli?
È possibile, soprattutto per alcune applicazioni dove sono richieste performance elevate e sono previsti campi di utilizzo molto estesi. Infatti, la caratteristica principale dei tubercoli applicati alle pale di un’elica, e ad un profilo alare più in generale, è quella di spostare lo stallo del profilo ad angoli di incidenza più elevati, ampliandone la sua operatività. Sulla base di quanto stiamo studiando, un’elica con i tubercoli, potrebbe garantire maggiori performance, ad esempio, in una accostata ad alta velocità, laddove un’elica convenzionale tende a stallare, perdendo parte della sua efficienza.

Più in generale, la tecnologia dei tubercoli sta suscitando molto interesse nella comunità scientifica internazionale in ambito navale e marino: forse in parte è una tendenza puramente estetica, ma troviamo diverse applicazioni anche in ambiti sportivi dove la loro applicazione ha trovato riscontri tangibili. L’esempio è quello dei foil-boards per i quali un produttore giapponese propone dei foil dotati di tubercoli proprio per assicurare migliori performance, sia nelle partenze sia durante le manovre. Oppure per evitare cadute di prestazioni durante le evoluzioni, ad esempio quando la tavola salta ed il foil esce fuori dall’acqua o vi rientra ricadendo, fasi in cui gli angoli di incidenza sono molto elevati. Il foil con i tubercoli, infatti, assicura il mantenimento della portanza e ritarda lo stallo del profilo per un intervallo molto più ampio di angoli di attacco.

Tornando alle eliche, il lavoro da fare prima di vedere un’elica con le pale dotate di tubercoli è, però, ancora tanto. La pala dell’elica è, infatti, più complessa di un’ala perché non si tratta di un semplice profilo che avanza in un flusso indisturbato. L’elica è parte di un sistema complesso – la nave – e le sue condizioni operative implicano un flusso estremamente disuniforme, con fenomenologie strettamente legate a dei carichi localizzati che possono genere vibrazioni, cavitazione e rotture meccaniche. Non a caso, mentre per i profili alari semplici esistono già diverse applicazioni, per le eliche siamo ancora in una fase di studio e ricerca e non mi risulta ci siano imbarcazioni con eliche dotate di tubercoli. Proprio al fine di poter applicare questa tecnologia in ambito navale, nel nostro istituto stiamo studiando, all’interno di un esteso programma sperimentale, eliche con pale dotate di tubercoli.

In cosa consistono questi test?
Siamo partiti da un’elica di studio convenzionale sulla quale sono stati applicati dei tubercoli. In pratica, abbiamo costruito tre eliche identiche all’elica standard, ognuna però dotata di tubercoli sul bordo di entrata della pala, caratterizzati da diversa ampiezza e frequenza, ovvero in cui abbiamo variato l’altezza e l’intervallo tra tubercoli stessi. Ognuna è poi stata provata in acqua indisturbata al fine di quantificare l’effetto delle differenze reciproche tra le varie eliche, ovvero i tubercoli, sulle caratteristiche di funzionamento.

I risultati di queste prove?
In linea generale abbiamo riscontrato un miglioramento delle prestazioni delle eliche dotate di tubercoli, soprattutto a coefficienti di avanzo elevati, ovvero ad alte velocità, evidenziando anche un aumento dell’intervallo in cui l’elica manteneva la sua efficienza. Si tratta di risultati in linea con quanto presente nella letteratura scientifica sul comportamento dei tubercoli sui profili alari convenzionali. Ma stiamo parlando di miglioramenti contenuti, perché le eliche sono state provate in flusso indisturbato. Invece, ci aspettiamo miglioramenti molto più significativi nel funzionamento dietro carena, quando il flusso d’acqua che investe l’elica, la scia, non è affatto indisturbato e, inoltre, ha un’angolazione variabile ed una velocità non uniforme dovuta, ad esempio, alla presenza a monte dell’elica stessa di braccetti porta elica, pinne o altro.

Tutti questi fenomeni, già presenti durante la navigazione in avanzamento rettilineo, che corrisponde alle condizioni di progetto dell’elica, vengono amplificati quando la nave è in manovra o in presenza di onde, fasi in cui l’elica può essere investita da un flusso con un angolo di incidenza molto elevato: in queste condizioni, dette di off-design per le quali il propulsore non è ottimizzato, possono esserci zone del disco dell’elica totalmente disturbate da vortici e può verificarsi lo stallo locale delle pale. Si tratta di condizioni di lavoro tutt’altro che ideali, in cui le singole pale dell’elica ruotano in un flusso d’acqua non uniforme che può avere angoli di incidenza locali anche molto elevati, per di più non costanti. In queste condizioni, in cui i carichi sulle pale dell’elica sono fortemente squilibrati tra loro, si generano violente vibrazioni e rumore che possono essere ulteriormente esasperati dall’innesco di fenomeni di cavitazione.

Se tutto ciò, normalmente, crea problemi al corretto funzionamento di un’elica standard, facendone diminuire il rendimento, aumentare le vibrazioni e, di conseguenza, peggiorare anche il comfort a bordo, ci aspettiamo che con un’elica dotata di tubercoli tali fenomeni siano mitigati e la sua efficienza sia mantenuta più a lungo. Almeno questo è quello che pensiamo sulla base delle conoscenze finora in nostro possesso.

Riepilogando, per un’elica con le pale dotate di tubercoli i vantaggi sono un’efficienza che si mantiene elevata per un campo di lavoro più ampio e ridotte cadute di prestazioni in condizioni di lavoro fuori progetto, off design.
Non solo. La presenza dei tubercoli può avere delle ricadute positive anche sulla cavitazione riducendone, così, sia gli effetti degenerativi sia di rumorosità dell’elica, a vantaggio delle prestazioni del propulsore e del comfort dei passeggeri, nonché dell’ambiente. Dobbiamo infatti ricordare che la maggior causa di inquinamento acustico in mare è legata proprio alla navigazione e al rumore prodotto dall’elica, con tutti i problemi che ne derivano specialmente per i mammiferi marini che non riescono a comunicare tra loro a causa degli elevati livelli di rumore di fondo generato dalle navi. Lo studio di eliche meno rumorose è sicuramente un grande aiuto che possiamo dare al mare e alle sue creature. Senza contare che il tema del rumore prodotto dalla propulsione è di grandissimo interesse anche per le unità militari.

C’è quindi ancora molto lavoro da fare?
Direi proprio di sì. Le prove fatte finora le definirei preliminari. Ci sono servite a capire se gli effetti dei tubercoli sulle pale dell’elica fossero in linea con quelli riscontrati sui profili alari convenzionali. Indagini più significative saranno quelle con l’elica in condizioni di funzionamento reale, ovvero dietro carena e non in acqua indisturbata come fatto finora. Inoltre, fino ad oggi abbiamo lavorato su un’elica standard alla quale abbiamo applicato i tubercoli semplicemente aggiungendoli alla pala stessa, anche se con una distribuzione variabile (più alti, più bassi, più fitti eccetera). Questo è stato fatto nell’ottica di un cosiddetto ‘retrofitting’, nel quale possiamo prendere una qualsiasi elica esistente e aggiungere dei tubercoli con una data distribuzione. In futuro, invece, abbiamo in programma di costruire una serie di eliche dotate di tubercoli con delle pale a corda media costante. In pratica, pur partendo da un’elica standard, non aggiungeremo semplicemente i tubercoli sul bordo d’ingresso della pala, ma la pala stessa sarà modificata in modo da mantenerne inalterata la superficie palare.

Questo studio contribuirà ad un’ulteriore passo avanti nella conoscenza delle fenomenologie legate ai tubercoli e gli effettivi miglioramenti introdotti con il loro utilizzo. Sempre ispirati dalla natura, nei nostri studi sulla biomimetica vorremmo poi provare a modificare non solo il bordo di entrata ma anche il bordo di uscita della pala. L’idea è legata all’osservazione delle ali dei rapaci notturni. La nota silenziosità di questi uccelli durante il volo è infatti dovuta alle loro ali che hanno il bordo di uscita frastagliato che rilascia pochissima turbolenza. Studiare una soluzione simile anche per le eliche permetterebbe di abbattere ulteriormente la loro rumorosità.

Da quello che ci dice le prospettive sono incoraggianti ma c’è ancora molto da aspettare prima di vedere un’elica con i tubercoli?
Prima di vedere un’elica con i tubercoli credo dovremo aspettare ancora qualche anno. Ma la loro adozione sui profili alari è, invece, una realtà già ora. Parlo, ad esempio delle pale delle turbine eoliche con i tubercoli. Anche nel mondo nautico e navale c’è fermento. Basta vedere i timoni di alcune barche da regata, oppure gli hydrofoil di alcuni foilboards ai quali ho accennato prima o alcune pinne per il surf. A questo proposito, non mi stupirei se la prossima novità delle barche dell’America’s Cup fossero dei nuovi foil dotati proprio di tubercoli!