Riassunto:
I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno proposto un nuovo metodo che utilizza minuscole vibrazioni all'interno dei materiali per regolare il flusso d'aria. In futuro, si prevede che ridurrà la turbolenza e la resistenza senza modificare la forma dell'aereo, migliorando così l'efficienza del carburante.
Gli aerei passeggeri possono viaggiare a una velocità di circa 640 miglia all'ora. L'aria vicino alla superficie dell'ala crea uno strato limite turbolento, che aumenta la resistenza del volo, riduce l'efficienza del volo e si traduce in un maggiore consumo di carburante. Un aereo commerciale può consumare più di 10.000 galloni di carburante durante un volo transnazionale, quindi anche un piccolo aumento di efficienza potrebbe comportare un notevole risparmio sui costi per le compagnie aeree.
Mahmood I. Hussain, professore presso il Dipartimento di Scienze dell'ingegneria aerospaziale presso l'Università del Colorado Boulder, e il suo team stanno esplorando un altro percorso: invece di limitarsi a rimodellare i contorni esterni dell'aereo per controllare la resistenza, possono posizionare materiali sintetici ingegnerizzati sotto la superficie e utilizzare le vibrazioni microscopiche generate dai materiali per influenzare il flusso d'aria, riducendo così la turbolenza e migliorando il risparmio di carburante.
Il team di Hussain ha recentemente pubblicato articoli su "Physical Review
Hussein ha affermato che sin dalla nascita dell'industria aeronautica, l'idea dominante di controllare la resistenza aerodinamica è stata quella di modificare la forma dell'aereo. Ora, i ricercatori hanno proposto un nuovo concetto: utilizzare materiali che interagiscono dinamicamente con il flusso d’aria per influenzare la resistenza superficiale, migliorando le prestazioni dell’aereo in un modo senza precedenti. Oltre al suo incarico presso il Dipartimento di Scienze dell'ingegneria aerospaziale, Hussein ricopre un incarico simultaneo presso il Dipartimento di Fisica ed è affiliato al programma di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Il nucleo di questa ricerca sono i "fononi". I fononi non sono movimenti macroscopici dell'intera struttura, ma vibrazioni estremamente piccole che si verificano all'interno del materiale. Sebbene questi movimenti siano di piccola entità, se potessero essere controllati, potrebbero cambiare il modo in cui la superficie del materiale interagisce con l’aria che scorre.
La ricerca che circonda queste vibrazioni interne si chiama fononica. Hussain è stato coinvolto nella promozione dello sviluppo di questo campo per più di due decenni e ha contribuito a fondare la serie di conferenze "Phononics 20xx" nel 2011, che ora è diventata un'importante piattaforma di scambio internazionale per i ricercatori in questo campo.
Nel 2015, Hussein ha proposto il concetto di "sottosuperficie fononica", che consiste nel disporre strutture appositamente progettate sotto la superficie dei materiali in modo che possano controllare passivamente le vibrazioni all'interfaccia tra la superficie e il fluido. In passato, i progetti sviluppati dal suo team e da altri ricercatori spesso funzionavano solo a una singola frequenza.
Le ricerche più recenti mostrano che progettare il sottosuolo dei fononi in una struttura a spirale può estenderne l'effetto a una gamma di frequenze. Questo fenomeno, noto come “superrisonanza”, risolve una delle principali limitazioni dei progetti precedenti: consente alla struttura di interagire con una gamma più ampia di componenti di frequenza presenti nella turbolenza reale.
Hussain ha affermato che inizialmente il team poteva gestire solo una frequenza, ma in seguito ha voluto coprire una gamma più ampia di frequenze, perché è così che si generano le turbolenze nel mondo reale in questo modo a banda larga. Oggi questo obiettivo è stato raggiunto. La struttura del fonone a spirale supera i limiti di lunga data delle strategie di controllo del flusso laminare.
"Interferenza senza diffusione" risolve un altro problema. Invece di posizionare semplicemente un sottosuolo fononico in un’unica posizione, i ricercatori possono organizzare più strutture in una griglia o reticolo, estendendo la loro influenza a valle del flusso d’aria su un’area più ampia, come l’ala di un aereo o la superficie della fusoliera di un veicolo ipersonico.
Hussein ha affermato che questo approccio consente un controllo a valle efficace. Il controllo a valle e il controllo a banda larga sono stati due dei limiti principali della tecnologia sin dalla sua introduzione più di dieci anni fa, e il team ha ora risolto entrambi questi problemi.
I due progressi si completano a vicenda, ha osservato Adam Harris, uno studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali nel laboratorio di Hussein e coautore di entrambi gli articoli. L'interferenza senza diffusione fornisce un modo per attenuare il comportamento spaziale dei campi di flusso instabili a valle del sottosuolo fononico; la superrisonanza amplia la gamma di frequenze su cui il controllo può essere efficace. La combinazione dei due avvicina il concetto originale di sottosuolo fononico alla flessibilità richiesta negli ambienti di flusso reale.
Al momento, questi risultati provengono principalmente da studi computazionali, ma i sottofondi fononici non sono più completamente in fase teorica. Gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno creato prototipi fisici funzionanti e si stanno muovendo verso i test nella galleria del vento.
Hussein ha affermato che il team spera di rompere il pensiero tradizionale secondo cui "il controllo del flusso può basarsi solo sul cambiamento della forma della superficie esposta o, negli ultimi anni, fare affidamento su attuatori attivi". Utilizzando le sottosuperfici fononiche, un'ala o una fusoliera mantengono la forma originale, la planarità e le proprietà passive, mentre il materiale sottostante è progettato per interagire con il flusso d'aria in modo altamente mirato.
Sebbene la ricerca attuale sia principalmente orientata al campo aerospaziale, i potenziali usi della superrisonanza e delle interferenze prive di dispersione non si limitano agli aerei. Hussein ritiene che potrebbero trarne vantaggio le navi, gli oleodotti, le turbine e qualsiasi sistema interessato dalle turbolenze; infatti, entrambe le idee potrebbero avere applicazioni anche oltre il controllo del flusso.
La ricerca pertinente coinvolge anche problemi di flusso ipersonico ed è supportata da un programma di ricerca universitario multidisciplinare quinquennale da 7,5 milioni di dollari dell'Ufficio di ricerca navale del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.
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