Dall’aereo alla turbina: un materiale autoriparante per risparmiare costi, emissioni ed energia

Un materiale composito, ultra resistente ed in grado di “autoriparsi” più di 1.000 volte, per durare oltre 100 anni. Anche di più dell’oggetto per cui è stato utilizzato. Un’innovazione ecologica che ridurrebbe costi di manutenzione e rifiuti da smaltire, quella che ci porta nei laboratori della North Carolina State University negli Stati Uniti, dove un gruppo di ricerca ha sviluppato un materiale dalle caratteristiche a dir poco miracolose.

I compositi strutturali naturali, come il legno, hanno tra le loro caratteristiche originali la capacità di autoripararsi dopo un danno. Anche i materiali compositi sintetici si ispirano a queste peculiarità naturali: rigidità e resistenza. Tra i più usati la fibra di carbonio, impiegata in molte strutture perché particolarmente resistente e prodotte a costi contenuti. L’impiego dei materiali compositi, infatti, è molto esteso: dalle ali degli aerei di linea, compresi Boieng e Airbus, alle pale degli impianti eolici, dalle automobili ai veicoli spaziali.

Il vantaggio, dunque, è la grande flessibilità di utilizzo, ma ci sono anche criticità. Uno dei principali limiti, è la degradazione fisica che inizia dopo un certo numero di anni, dando vita a un fenomeno noto come delaminazione, in cui il materiale si separa in strati distinti, come gli strati di una cipolla. Questo processo è particolarmente temuto, anzitutto perché è invisibile agli occhi e richiede un monitoraggio strumentale continuo.

“La delaminazione è una sfida per i materiali compositi fin dagli anni ’30", considera Jason Patrick, autore del documento pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, che aggiunge: “la tecnologia di autoriparazione che abbiamo sviluppato rappresenta una soluzione a lungo termine per il problema, consentendo ai componenti di durare per oltre un secolo. Questa durata è ben oltre quella tipica dei compositi convenzionali, che varia dai 15 ai 40 anni, spesso coincidente con la vita stessa dell’oggetto".

I danni provocati dalla delaminazione, non solo compromettono leggerezza e resistenza, ma amplificano anche i costi e l'impatto ambientale di questi materiali moderni, non semplici da riparare e riciclare. Da qui gli sforzi per lo sviluppo di un materiale non più passivo, ma autoriparante. Come funziona il processo riparativo? Viene Stampato in 3D un pattern di plastica speciale tra uno strato di fibra e l'altro, che agisce come un rinforzo, ancorando gli strati tra loro. Ma la vera innovazione sta nel modo in cui il materiale si ripara.

Il sistema funziona come una coperta elettrica interna: nel materiale sono inseriti sottilissimi veli di carbonio conduttivo, quando viene rilevato un danno, si applica una corrente elettrica mentre il calore generato fa sciogliere l'agente plastico stampato in 3D che diventa liquido e penetra nelle crepe causate dalla delaminazione. Una volta raffreddata, la plastica si solidifica di nuovo, incollando le fratture e riportando l’oggetto, ad esempio l’ala di un Boeing alla sua robustezza originale. Insomma, il materiale può essere “curato” sul posto, risparmiando tempo, soldi e riducendo i rifiuti.

Questa nuova tecnologia trasforma la delaminazione da un problema strutturale grave, che richiede, nei casi citati, di sostituire l'ala o la pala della turbina, a un problema di manutenzione ordinaria. Per semplificare, è come se passassimo da uno smartphone con lo schermo di vetro che se si rompe deve essere cambiato a uno schermo fatto di un gel speciale che, se si riga, può essere riparato e tornare liscio. Anche se dopo 1.000 volte non è più brillante come il primo giorno, lo schermo durerà comunque molto più del telefono stesso. "Questo processo ridurrebbe in modo significativo i costi e la manodopera associati alla sostituzione dei componenti compositi danneggiati e ridurrebbe la quantità di energia consumata e di rifiuti prodotti da molti settori industriali, perché avranno meno parti rotte da ispezionare, riparare o buttare via manualmente", afferma Patrick.

Per valutare le prestazioni a lungo termine, i ricercatori hanno fratturato il materiale e avviato il processo autoriparante, dopodiché hanno misurato il carico che poteva sopportare prima di delaminarsi nuovamente. Lo hanno ripetuto 1.000 volte, per 40 giorni con risultati sorprendenti.

Secondo i ricercatori, il materiale potrebbe durare 125 anni se venisse sottoposto a una rigenerazione annuale e addirittura 500 anni se rigenerato ogni tre mesi. "Questo processo offrirebbe un valore evidente per materiali e tecnologie costosi e su larga scala come quelli usati per aeromobili e turbine eoliche", afferma Patrick. "Ma potrebbe essere importante anche per tecnologie come i veicoli spaziali, che operano in ambienti in gran parte inaccessibili e che sarebbero difficili o impossibili da riparare in loco con metodi convenzionali".