L’EPFL ispira i giovani ingegneri a progettare per il futuro
Brianne Christopher
EPFLoop, uno dei tre migliori team invitati alla SpaceX Hyperloop Pod Competition, si è lanciato con entusiasmo nel progetto con l’aiuto insostituibile della simulazione multifisica.
Nel corso dell’annuale Hyperloop Pod Competition indetta da SpaceX, team di ingegneri lavorano alla progettazione e alla costruzione di capsule (pod) hyperloop. L’obiettivo finale del progetto è ottenere un sistema di trasporto ad alta velocità, intercontinentale e a propulsione autonoma.
Una soluzione di questo tipo rivoluzionerebbe l’esperienza di trasporto e offrirebbe un’alternativa più ecologica ad altri modi di viaggiare.
L’Hyperloop Pod Competition, nata nel 2015 da un’idea di Elon Musk, culmina ogni estate con una settimana di gara a Hawthorne, in California, a sud-ovest di Los Angeles.
Nel corso della competizione i partecipanti possono testare i prototipi delle loro capsule hyperloop su una pista lunga un miglio (circa 1,6 chilometri, Figura 1) a una velocità di circa 500 chilometri all’ora.
Lavorare a fianco dei migliori ingegneri del mondo
Ogni anno i 20 migliori team di tutto il mondo sono invitati al centro di test in California e i primi tre possono correre in una pista sottovuoto durante l’evento conclusivo. Alla sua prima esperienza, EPFLoop ha superato ogni aspettativa guadagnandosi un posto tra le tre squadre finaliste che avrebbero corso sotto vuoto quell’anno. Ancora più straordinario è stato il fatto che il team si sia classificato primo al termine della settimana di test e che il progetto della loro capsula abbia dimostrato la massima affidabilità. Nel complesso, il gruppo EPFLoop si è classificato terzo nella corsa ad alta velocità l’ultimo giorno di gara, perché la presenza non prevista di polvere sulla pista di prova ha influito sulle prestazioni della capsula. L’esperienza del team a SpaceX si è rivelata comunque impagabile per diversi motivi.
Costituito da studenti di ingegneria e consulenti tecnici, il gruppo EPFLoop si è formato presso il Politecnico federale di Losanna (EPFL). Mario Paolone, principal advisor del team EPFLoop, sostiene che l’Hyperloop Pod Competition rappresenta “un’occasione per studenti e giovani ingegneri di partecipare a una sfida all’avanguardia, con alcuni dei migliori ingegneri del mondo”. Oltre alla possibilità di utilizzare apparecchiature di test ad alta tecnologia a fianco di ingegneri professionisti, l’esperienza costituisce per gli studenti una grande opportunità per comprendere l’importanza dello studio di sistemi di trasporto ad alta efficienza energetica. Inoltre, motiva gli studenti alla ricerca e li stimola a perseguire una carriera in ambito ingegneristico.
Simulare la capsula hyperloop
Oltre all’opportunità di visitare SpaceX e di sperimentare una struttura di test avanzata, gli studenti che fanno parte di EPFLoop hanno qualcosa in più da guadagnare: una preziosa esperienza di utilizzo della simulazione multifisica.
Ogni aspetto del progetto della capsula hyperloop di EPFLoop (Figura 2) coinvolge la modellazione e la simulazione. Infatti Paolone definisce la simulazione il “cuore” del loro progetto. La ragione è ovvia: la pista usata dal team per i test, lunga 60 metri, non si avvicina neppure lontanamente alla pista di SpaceX. Di conseguenza, anche se i test hanno confermato i risultati delle simulazioni a bassa velocità, il team si è affidato a un software di simulazione per ottenere informazioni su ciò che accadrebbe a velocità molto elevate. “Ogni singolo componente della capsula deve essere simulato e validato”, spiega Lorenzo Benedetti, technical leader di EPFLoop.
Utilizzando il software COMSOL Multiphysics®, il team di EPFLoop è stato in grado di analizzare i complessi componenti della capsula hyperloop e di prevederne le prestazioni prima di mettere piede nella sede di SpaceX. Inoltre il team doveva essere in grado di esaminare contemporaneamente molteplici effetti fisici, tra cui fenomeni meccanici, fluidodinamici, elettrici e della scienza dei materiali. “Questo progetto è intrinsecamente multidisciplinare”, dice Benedetti. Ad esempio, il team di progettazione ha voluto verificare quale sarebbe stato in pista di prova il comportamento dell’aeroshell della capsula, costituito da una leggera fibra di carbonio composito. Per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica dell’involucro è stata eseguita un’analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) accoppiata a studi di ottimizzazione della forma e di stress meccanici (Figura 3).
L’aeroshell doveva essere leggero e in grado di resistere alle forze aerodinamiche durante l’accelerazione e la decelerazione. Il team ha utilizzato l’interfaccia High Mach Number Flow per trovare i coefficienti di portanza e di resistenza della capsula. I risultati dell’analisi CFD sono stati poi utilizzati per trovare una forma aerodinamica ottimizzata con il prodotto di interfaccia LiveLink™ for MATLAB®.
Il team aveva anche la necessità di verificare come si sarebbe comportato il serbatoio della capsula nel tubo, sotto vuoto, durante la corsa ad alta velocità. Sono stati quindi progettati alloggiamenti a prova di vuoto per contenere le batterie e i componenti elettrici della capsula. Infatti alcuni componenti elettronici non sono in grado di sostenere le condizioni di vuoto e un progetto inadeguato potrebbe causare l’esposizione diretta dei componenti interni alla pista - che è essenzialmente un tubo sottovuoto - e la loro distruzione. Il team ha eseguito un’analisi strutturale del progetto del contenitore, un recipiente in pressione composito, utilizzando l’interfaccia Shell nel software COMSOL® per tenere conto degli strati sovrapposti. Ha quindi ottimizzato la risposta strutturale per poter ottenere il minor peso possibile. Il fattore di sicurezza Tsai-Wu e le sollecitazioni principali sono stati poi studiati nel progetto ottimizzato della capsula.
Scorrere fino a fermarsi
L’impianto frenante dell’hyperloop è un altro esempio di progettazione multifisica. I freni devono essere in grado di rallentare in sicurezza la capsula dopo che ha raggiunto la sua velocità massima. Tuttavia, a causa delle condizioni di vuoto nel tubo si verifica un aumento estremo della temperatura nell’impianto frenante: senza aria non c’è dissipazione convettiva del calore e questo rimane immagazzinato nelle pastiglie dei freni. Per garantire che i componenti dell’impianto funzionassero come previsto, il team EPFLoop ha accoppiato le simulazioni del trasferimento di calore e le simulazioni meccaniche per la progettazione del sistema frenante (Figura 4).
Utilizzando l’interfaccia Heat Transfer in Solids, il team ha analizzato il profilo di temperatura nell’impianto durante e dopo la frenata per assicurarsi che non si surriscaldasse tanto da danneggiare la capsula dell’hyperloop. Ha quindi utilizzato la funzionalità Translational Motion per stimare la dissipazione di potenza causata dall’attrito e, di conseguenza, l’aumento della temperatura nei freni. Sfruttando queste informazioni, è stata eseguita un’analisi parametrica per diverse opzioni di materiali disponibili per le pastiglie per freni, comprese quelle in pelle, poliuretano termoplastico, gesso e alcuni materiali più classici utilizzati nell’industria automobilistica. L’analisi ricavata dalla simulazione ha aiutato il team a concludere che la migliore opzione fosse scegliere un materiale personalizzato, appositamente creato per loro da un’azienda esterna, poiché manteneva l’impianto frenante entro l’intervallo di temperatura desiderato.
Il dettagliato lavoro di simulazione del team ha dato i suoi frutti: “Uno dei giudici ha definito il nostro approccio ‘estremamente convincente’,” racconta Benedetti.
Esperienze di vita formative
L’aspetto più straordinario dell’esperienza di EPFLoop non è tanto l’ideazione della capsula o la classificazione al concorso, quanto l’impatto del progetto sugli studenti che hanno partecipato. Nicolò Riva, uno studente di dottorato all’EPFL che dirige anche il gruppo di aerodinamica del team, ha dichiarato che l’esperienza lo ha spinto a “voler rimanere in ambito accademico e partecipare a progetti simili”.
Zsófia Sajó, un’altra studentessa coinvolta nella competizione del 2018, ha detto che EPFLoop l’ha ispirata a “fare qualcosa per l’energia solare e l’energia pulita per i trasporti”.
L’impressione di Paolone sul progetto riprende il punto di vista dei membri del suo team. Ha raccontato infatti che gli studenti dedicano il loro tempo libero e personale all’EPFLoop con motivazione, grinta e impegno. “Abbiamo bisogno di coinvolgere persone così”, ha spiegato, per progettare sistemi di trasporto puliti per il futuro”.