Per oltre otto decenni, l’industria aerospaziale ha operato secondo regole semplici.
La fluidità equivale alla velocità.
Sembra ovvio, vero? Se vuoi meno resistenza, lucida la superficie finché non brilla. Questo dogma venne da Ichiro Tani nel 1940. Sosteneva che qualsiasi rugosità superficiale, non importa quanto piccola, avrebbe innescato un flusso d’aria caotico e una resistenza ai picchi. Abbiamo costruito treni ad alta velocità, jet e automobili basandoci su questo presupposto.
Ma la natura raramente è così ordinata.
Nel 1989 lo stesso Tani riconsiderò i vecchi dati. Ha suggerito che la ruvidità potrebbe non essere sempre il nemico. Decenni dopo, un team dell’Università di Tohoku ha preso quel sussurro e lo ha trasformato in un ruggito.
Microrugosità, risultati macro
Aiko Yakino e i suoi colleghi hanno fatto l’impensabile. Hanno ridotto la resistenza aerodinamica del 43,6%.
Come?
Rendendo le cose più ruvide.
Hanno utilizzato la microrugosità distribuita (DMR). Ad occhio nudo, queste superfici sembrano lisce. Le irregolarità sono microscopiche. Minuscole perle di vetro, diametri da 38 a 53 micrometri, o cavità concave sabbiate. Da un punto di vista idrodinamico, questi rivestimenti sono appena un inconveniente. La loro altezza è solo l’1% dello strato limite, quel sottile strato d’aria che abbraccia il veicolo.
Eppure quella leggera imperfezione ritarda il momento in cui il flusso d’aria diventa caotico. Mantiene l’aria laminare, scorrendo in fogli ordinati e a basso attrito per molto più tempo di quanto farebbe una superficie perfettamente liscia.
“La rugosità non può necessariamente solo favorire la turbolenza.”
—Ichiro Tani (1989)
Il problema della misurazione
Dimostrarlo richiedeva nuovi strumenti. Le vecchie gallerie del vento baravano.
Aste di supporto. Fili. Le stesse strutture che contenevano i modelli di prova disturbavano l’aria, mascherando i sottili benefici della micro-rugosità. Non potevi misurare ciò che non potevi isolare.
Il team ha utilizzato 1m-MSBS. È la bilancia di supporto magnetico più grande del mondo.
Il modello levita.
La forza elettromagnetica lo sospende a 1,07 metri nella corrente del vento. Niente canne. Nessun contatto. Il flusso d’aria rimane puro.
Hanno eseguito test su un’ampia gamma di numeri di Reynolds : da $ 0,35 \times 10^6$ a $ 3,6 \times 10^6$. Questo numero adimensionale prevede se il fluido scorrerà senza intoppi o si romperà.
I risultati sono stati duri.
Sui modelli rivestiti con DMR, la soglia critica per la turbolenza è passata da circa $ 1,9 \times 10^6 a $ 2,2 \times 10^$. La finestra per un volo laminare efficiente si è ampliata in modo significativo. Fino alla massima velocità misurata la superficie ruvida prevale su quella liscia.
Non pressione, ma attrito
Allora cosa succede realmente nell’aria?
La resistenza di solito proviene da due punti:
- Resistenza alla pressione. L’aria si separa dalla parte posteriore dell’oggetto, creando un vuoto a bassa pressione che risucchia indietro l’oggetto. Pensa alle palline da golf. Le fossette forzano la turbolenza per impedire questa separazione.
- Resistenza all’attrito. La viscosità fisica dell’aria che sfrega contro la pelle.
Il DMR attacca l’attrito, non la pressione.
Per confermarlo, il team ha eseguito modelli di Large Eddy Simulation (LES) con un massimo di 45 milioni di celle. Hanno dipinto i modelli con olio fluorescente per osservare visivamente il flusso. I numeri non mentono. La riduzione della resistenza ha superato di gran lunga il guadagno massimo teorico derivante dall’eliminazione della sola separazione.
Se si eliminasse completamente la resistenza alla pressione, ciò rappresenterebbe solo il 20% circa del risparmio.
Il riposo? Attrito ridotto.
È una contraddizione diretta della logica della pallina da golf. Le palline da golf invitano il caos a restare attaccati. DMR impone l’ordine di ridurre lo sfregamento. Meccanismi opposti. Obiettivi diversi.
Perché gli squali non colgono il punto
La tecnologia della pelle di squalo, con nervature che corrono longitudinalmente come scanalature, è stata lo standard di riferimento per la riduzione passiva della resistenza aerodinamica. Ma è pignolo. Le nervature devono essere allineate con il flusso d’aria. Cambia l’angolazione, perdi il vantaggio.
DMR è pigro nel migliore dei modi.
È omnidirezionale.
Casuale.
Dato che la rugosità è distribuita senza uno schema, l’angolo di attacco conta molto meno. Non ci sono parti in movimento. Non è necessaria l’elettricità. Solo consistenza.
Le implicazioni sono pesanti. Una resistenza inferiore significa meno carburante. Meno carburante significa costi inferiori e minori emissioni di carbonio. Si applica agli aerei, alle navi e forse anche alla tua auto la prossima volta.
Il team di Tohoku afferma che in seguito ottimizzeranno la forma e la densità.
Mi chiedo quanto tempo occorrerà agli ingegneri per disimparare 80 anni di perfezionamento?
