By Hyperloop: levitare alla velocità del suono
Per alcuni è solo il frutto delle fervide visioni utopiche di Elon Musk; per altri è un’idea promettente che diventerà realtà. Dopo le ultime novità che riguardano da vicino anche l’Italia, la seconda linea di pensiero sta iniziando a prevalere. Stiamo parlando di Hyperloop, un mezzo di trasporto rivoluzionario che unirebbe ad un impatto ambientale molto basso una velocità elevatissima, vicina a quella del suono. Quali tecnologie si nascondono dietro a questo progetto? Lo scopriremo assieme in questo articolo e nel prossimo.
Eliminare gli attriti
La redazione di E-nsight aveva già presentato le caratteristiche principali di Hyperloop in questo articolo; tuttavia, con l’evolversi dello sviluppo negli anni, i concetti originali sono stati in parte sostituiti da nuove idee, che analizzeremo nei prossimi paragrafi. Prima di iniziare, però, è bene chiarire il tipo di problema che questo sistema di trasporto cerca di risolvere. Immaginiamo un semplice vagone ferroviario che avanza a una certa velocità fissata lungo dei binari. Durante il moto, il vagone incontra due forme di resistenza all’avanzamento che lo rallentano: la prima forza è generata dall’attrito con l’aria, la seconda dall’attrito (volvente) con le rotaie. Per vincere le resistenze, si possono applicare due soluzioni. La prima soluzione è la più intuitiva, e prevede di dotare il vagone di un motore che lo spinga costantemente avanti (le locomotive svolgono esattamente questo compito). La seconda soluzione, invece, prevede di creare condizioni in cui non ci siano forze resistenti. L’idea alla base del sistema di trasporto Hyperloop è proprio questa: rimuovere tutte le fonti di attrito per minimizzare l’energia necessaria all’avanzamento. In questo articolo ci dedicheremo all’attrito prodotto dall’aria, mentre nel prossimo ci concentreremo sull’attrito col suolo.
Come nello spazio
L’attrito aerodinamico aumenta generalmente in modo quadratico rispetto alla velocità, come evidenziato nel grafico sottostante. Questo significa che se un treno viaggia a 300 Km/h e Hyperloop viaggia a una velocità quadrupla (1200 Km/h, prossima a quella del suono), a parità di condizioni Hyperloop necessiterebbe di una forza propulsiva non 4, ma circa 16 volte maggiore rispetto al treno. Per quanto un oggetto possa essere progettato in modo da avere una forma aerodinamica, le forze d’attrito con l’aria avranno sempre un effetto importante alle alte velocità. Gli aerei riescono a vincere queste forze grazie alla minore pressione in quota e a motori molto potenti; se però si vuole utilizzare poca energia, l’unica soluzione per evitare che l’attrito dell’aria diventi troppo elevato è… rimuovere l’aria. Immaginiamo quindi di prendere un tubo idealmente infinito con una sezione abbastanza grande da ospitare una sorta di vagone, e immaginiamo di aspirare tutta l’aria presente all’interno: otterremo un tunnel a vuoto spinto, ovvero un condotto lungo il quale il nostro vagone (o meglio, la nostra capsula) non avrà bisogno di vincere le forze aerodinamiche per avanzare.
Le forze di attrito di un veicolo su gomma in funzione della sua velocità. Come si può notare, le forze aerodinamiche prevalgono alle alte velocità, mentre le resistenze al rotolamento aumentano in maniera più contenuta (specialmente nei treni dove non vi sono deformazioni dovute alle gomme).
Centinaia di chilometri sottovuoto
Hyperloop è appunto una capsula che è stata pensata per sfrecciare all’interno di lunghi tunnel a bassissima pressione. Creare un ambiente a bassa pressione non è tecnicamente molto difficile: lo si può fare grazie a pompe in grado di aspirare l’aria presente nei tunnel. Una volta creata la bassa pressione, il dispendio di energia richiesto per mantenere i tunnel nelle condizioni ideali è piuttosto contenuto; lo è ancora di più se l’energia necessaria viene prodotta localmente lungo la linea stessa (approfondiremo l’argomento più avanti). L’apparente facilità della soluzione non deve però ingannare: la realizzazione di un tunnel a vuoto molto lungo presenta infatti altre sfide tecnologiche importanti. I principali problemi progettuali sono legati alla dilatazione termica e alla gestione di eventuali rotture del condotto.
La pressione all’interno dei tunnel Hyperloop è meno di un millesimo della pressione atmosferica.
Dilatazione termica
Quando si costruisce un oggetto metallico molto lungo, come per esempio una rotaia o una tubatura, bisogna tenere conto delle differenze di temperatura tra estate e inverno, che possono variare la sua lunghezza significativamente. Per fare un esempio numerico, se un tunnel di acciaio al carbonio (il meno sensibile alla dilatazione termica) si estendesse per 200 Km, basterebbero 35 gradi di escursione termica per causare un allungamento della linea di 42 metri. Nelle ferrovie tradizionali il problema viene risolto lasciando piccole intercapedini tra le sezioni che compongono le rotaie, in modo che siano libere di espandersi senza deformare il tracciato. Con Hyperloop occorre usare dei giunti metallici simili a quelli usati nei gasdotti, progettati per espandersi mantenendo completamente isolato l’interno.
Soffietto metallico standard. All’avvicinarsi delle due estremità per dilatazione termica, la zona centrale si restringe, come una fisarmonica, evitando danni strutturali al condotto.
Esempio di giunto a compressione esterna (la tipologia adatta ad Hyperloop). Durante l’espansione, il soffietto metallico (segmento zigrinato al centro) viene tirato alle estremità dalle due sezioni di tubo a cui è collegato. L’involucro esterno garantisce anche la solidità strutturale del giunto.
Tunnel sicuri…
Quando si parla di velocità così elevate, viene spontaneo domandarsi se Hyperloop sia un mezzo sufficientemente sicuro. Gli ingegneri (principalmente aerospaziali, meccanici e civili) hanno lavorato molto in questa direzione, al fine di garantire il minor rischio possibile. Per garantire alti standard di sicurezza in caso di terremoti ed eventi sismici, tutta la linea poggia su piloni in grado di assorbire completamente le oscillazioni e i movimenti del terreno. E se invece per qualche motivo si aprisse una falla in un tunnel? A tale proposito, si è pensato di dotare l’intera linea di stazioni di emergenza e di un sistema di sensori (alimentato da celle solari poste lungo il tracciato stesso, quindi abbastanza economico) che sia in grado di reagire immediatamente in caso di guasto. Le ipotesi sui possibili “attentati terroristici” avanzate dai più scettici non sembrano avere molto senso, per il semplice fatto che anche le comuni ferrovie e i viadotti delle autostrade sono ugualmente esposti a tale rischio.
Il primo test track realizzato da Virgin Hyperloop One. Tra le prime a realizzare una capsula full scale, attualmente l’azienda ha avviato diversi studi di fattibilità in America e in India.
… e capsule altrettanto sicure
Allo stesso modo dei tunnel, si è cercato di lavorare molto anche sulla capsula, in modo da impedire eventuali depressurizzazioni interne. La soluzione tecnologica che permetterà livelli di sicurezza elevatissimi arriva proprio da un brevetto di Hyperloop Transportation Technologies, sviluppato in collaborazione con alcune aziende esterne. Si tratta di una particolarissima fibra di carbonio, il cui nome è tutto un programma: i ricercatori hanno scelto di chiamarla vibranium, come il materiale indistruttibile di cui è fatto lo scudo del supereroe Captain America. Oltre ad essere 5 volte più leggero dell’acciaio e 1,5 volte più dell’alluminio (attualmente usato in molti aeromobili), il vibranium è anche notevolmente più flessibile (in senso ingegneristico) di entrambi: rispettivamente 10 e 8 volte. Questo materiale ha inoltre una rete di sensori al suo interno, che viene integrata già durante il processo produttivo. Questa speciale rete “smart” permette al vibranium di autodiagnosticarsi in tempo reale, fornendo costantemente informazioni su parametri come la temperatura e lo stato di sforzo interno di ogni punto del tunnel.
L’attrito col suolo
Abbiamo visto come, grazie a speciali sistemi di tunnel e di pompe a vuoto, sia possibile vincere l’attrito dell’aria senza bisogno di grandi spinte propulsive. Ma è possibile eliminare l’attrito col terreno in un modo altrettanto efficiente? E, se anche fosse possibile, quali sarebbero i costi necessari per costruire da zero un sistema Hyperloop? Lo scopriremo nel prossimo articolo, dove parleremo anche dei progetti che Hyperloop ha in serbo per l’Italia nel prossimo futuro.
Fonti
- Hyperloop Transportation Technologies
- DME
- Virgin Hyperloop One
- AGI
- Built In
- The B1M
- NASA – Conceptual Feasibility Study on Hyperloop (2017)
