Turbine eoliche improbabili. L'ispirazione viene dalla Natura

Poche fonti di energia rinnovabile hanno la capacità di stimolare la fantasia degli “inventori” come l’energia eolica. Negli ultimi anni diversi architetti hanno sperimentato l’integrazione negli edifici di modelli di turbine “creative” che, se analizzate scientificamente, non rappresentano niente di nuovo, in quanto ricadono sempre nelle solite varianti delle tipologie Savonius e Darrieus. Non c'è da meravigliarsi dunque che pure i ricercatori della George Washington University abbiano ceduto alla tentazione di cimentarsi nello sviluppo dell’ennesima turbina eolica non convenzionale, ispirati dalla natura e dalle capacità di volo del serpente volante del paradiso.

Ma esistono davvero i serpenti volanti o è una leggenda dei viaggiatori medievali?

Pale eoliche fuori dal comune

La storia del serpente che ha ispirato la turbina

Il serpente volante del paradiso (Chrysopelea paradisi Boie, 1827) è un serpente oriundo del Sudest asiatico, appartenente alla famiglia dei Colubridi, lungo circa 1,5 m. È una specie arboricola, capace di saltare da un albero all’altro servendosi della sua capacità di creare una superficie concava nel suo ventre e di “nuotare” nell’aria con la coda. La portanza aerodinamica creata dal serpente differisce sostanzialmente da quella, molto meglio studiata, dei profili alari. Nel caso del serpente, il gruppo di studio diretto dalla professoressa Lorena Barba ha dovuto ricorrere a delle tecniche numeriche di analisi della meccanica dei fluidi (note nel gergo aerodinamico come CFM, computational fluid mechanics), perché la portanza sarebbe creata dalla sequenza di diversi stati transitori di distribuzione di velocità e pressione dell’aria attorno al corpo del rettile, riconducibili in ultima istanza all’effetto Wagner e all’effetto Katzmayer, ma di difficile modellizzazione matematica. Nel caso dei profili alari, meccanismo alla base del volo degli aerei e del volo planato degli uccelli, il flusso d’aria attorno alle superfici aerodinamiche è costante, quindi costituisce uno stato permanente, molto più facile da modellizzare con formule matematiche.

È possibile che la dinamica di volo della Chrysopelea possa servire per costruire una turbina eolica dalle prestazioni aerodinamiche elevate? Malgrado l’ottimismo della ricercatrice ed il suo staff, esistono elementi per rimanere scettici. Nel seguente video è possibile apprezzare come il serpente in questione non ”vola” bensì “plana”, seppur con un certo controllo della traiettoria, seguendo un percorso  inclinato di circa 30 gradi rispetto all’orizzontale.

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L'efficienza delle turbine eoliche

Senza entrare in considerazioni matematiche, che il lettore potrà eventualmente approfondire nelle opere pubblicate dall’autore del presente articolo o nei testi universitari di aerodinamica, è importante mettere in evidenza il fatto che l’efficienza di una turbina ad asse orizzontale -i l tipo più efficiente in assoluto perché quello che più si avvicina alla “turbina ideale di Betz” - è direttamente proporzionale al quoziente fra portanza e resistenza delle pale, nella letteratura in inglese noto come L/D ratio (lift to drag ratio). Non è una coincidenza se nei testi di aerodinamica in tedesco, si utilizzi più frequentemente l’inverso del coefficiente L/D, chiamato G  (da Gleitzahl, coefficiente di scivolamento, tradotto in italiano come coefficiente di planata), retaggio dei primi esperimenti di Otto Lilienthal con i suoi alianti. Il coefficiente di planata è il quoziente fra la quota persa dal velivolo (o da un animale volante nel caso in questione) e la distanza percorsa nello stesso intervallo di tempo. È facile dimostrare che il coefficiente di planata è uguale (nel caso ideale di un “ala volante”) all’inverso del coefficiente L/D delle superfici aerodinamiche.

A titolo informativo: il coefficiente di planata di un aliante moderno è pari a 1/55, e quello del tristemente celebre Airbus 320 è pari a 1/20. Un semplice calcolo trigonometrico  ci dimostra che un aliante, lasciato cadere liberamente da una certa quota, scende lungo un percorso formante una angolo di solo 1 grado rispetto all’orizzontale, mentre un Airbus 320, con i suoi quattro motori spenti, scende con un angolo di quasi 4 gradi rispetto all’orizzontale. Dal filmato del “volo” della Chrysopelea, possiamo stimare il coefficiente G del rettile come un valore compreso fra 1/3 e 1/2. Ciò corrisponde a valori di L/D compresi fra 2 e 3, ovvero troppo bassi per consentire la progettazione di una turbina efficiente.  A titolo informativo dobbiamo sapere che le pale dei vecchi mulini a vento, scenografia suggestiva nei film del Far West, hanno coefficienti L/D  compresi fra 5 e 10.

Concludendo: se è vero che copiare dalla Natura ha da sempre contribuito al progresso tecnologico, suggeriamo ai potenziali “inventori” di nuove turbine eoliche di copiare dai migliori esempi esistenti. Non a caso le pale delle turbine eoliche più performanti sono addirittura più snelle di quelle dell’albatros, uccello noto per la sua capacità di planare lunghe distanze senza battere le ali.

Mario Rosato

Mario Rosato Ingegnere

La sua passione sono le soluzioni soft tech per lo sviluppo sostenibile, possibilmente costruite con materiale da riciclaggio. Un progetto per quando andrà in pensione: costruire un'imbarcazione a propulsione eolica capace di andare più veloce del vento in ogni direzione.

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