L’aviazione elettrica è pronta al decollo. In tutto il mondo, startup e consolidate aziende aerospaziali stanno investendo miliardi in velivoli di nuovissima concezione. Hanno concept tecnologici e modelli di business differenti, ma il loro obiettivo è lo stesso: accrescere la sostenibilità ambientale ed economica della mobilità aerea.

La transizione dai motori a combustione interna alimentati da combustibili fossili ai motori elettrici a batteria è un modo per ridurre le emissioni prodotte dal trasporto aereo tradizionale. Per i pionieri dell’aviazione elettrica la sfida sta nel trovare una nicchia di mercato redditizia per i velivoli elettrici costruiti con le tecnologie attualmente disponibili.

Anche con le migliori tecnologie e con le batterie e i sistemi di controllo più efficienti oggi a disposizione, gli aerei elettrici non hanno ancora raggiunto un’autonomia operativa tale da competere con gli aeromobili commerciali tradizionali. Per questo le aziende produttrici di velivoli elettrici si sono concentrate su applicazioni a minore intensità energetica, ovvero con lunghezze di volo più brevi, velocità inferiori e carichi utili più leggeri.

Ritenendo che gli aerotaxi elettrici siano l’applicazione che meglio si adatta alle capacità e ai limiti del volo elettrico attuali, molti operatori del settore stanno sviluppando velivoli per il trasporto a corto raggio da uno a quattro passeggeri. Progettati per il decollo e l’atterraggio verticale, saranno adibiti alla mobilità urbana per collegare centri cittadini e periferie.

Andare oltre

L’azienda aeronautica tedesca Lilium, pioniera dell’aviazione elettrica, ha presentato un piano di volo diverso. Fondata nel 2015 da quattro studenti di ingegneria della Technische Universität di Monaco di Baviera, è impegnata nello sviluppo di un velivolo per il trasporto di sei passeggeri oltre al pilota, con un’autonomia di 175 chilometri.

Entro i prossimi 15-20 anni saremo in grado di costruire aerei di linea elettrici con 80 posti e un’autonomia di oltre 2.000 chilometri.

Daniel Wiegand, , fondatore e capo dell’ingegneria per l’innovazione e i programmi futuri di Lilium.

“La mission della nostra azienda è rendere l’aviazione regionale più sostenibile e accessibile”, dichiara Daniel Wiegand, uno dei fondatori di Lilium, nonché capo dell’ingegneria per l’innovazione e i programmi futuri. Le aree urbane ad alta densità di popolazione, ovvero molte delle città europee, non sono adatte per i servizi di aerotaxi a corto raggio. “Prendere l’auto per prendere l’aereo e poi di nuovo l’auto, con tutti i disagi legati al cambio di modalità, non fa risparmiare abbastanza tempo da rendere il volo conveniente”.

Lilium ha quindi scelto di orientarsi ai viaggi interurbani. Dice Wiegand: “Un volo regionale dura da 30 a 60 minuti, mentre un volo in ambito urbano ne dura 5. Per questo serve un tipo di aereo diverso, che abbia più capacità e una cabina più ampia, per poter ripartire i costi su un maggior numero di passeggeri. E poi deve essere più comodo, e anche più veloce”.

L’aviazione elettrica regionale necessita in particolare di un velivolo estremamente efficiente, che offra lunga autonomia di volo e bassi consumi energetici. È proprio il requisito di efficienza ad aver guidato Lilium in ogni aspetto della progettazione del suo Lilium Jet, un velivolo con un’architettura più simile a quella di un aereo tradizionale ad ala fissa che ai progetti ad ala rotante preferiti dai costruttori di aerotaxi.

Lilium ha una configurazione canard, ovvero le ali principali sono nella parte posteriore della fusoliera, mentre gli stabilizzatori, o “alette canard”, sono disposti a prua. Con ampie ali e un profilo aerodinamico dolce e regolare, questo jet ha gli ingredienti giusti per un garantire un efficiente volo orizzontale.

Rotazione verso il basso

Per offrire ai passeggeri un’esperienza di volo davvero confortevole da punto a punto, Lilium Jet deve poter decollare e atterrare come un elicottero, utilizzando elisuperfici. In che modo? I suoi motori elettrici possono ruotare di 90° verso il basso per convertire la spinta in portanza durante le manovre di decollo e atterraggio verticale.

“Rispetto ai rotori aperti, la nostra tecnologia offre più efficienza nel volo di crociera che nel volo a punto fisso (hovering)”, afferma Wiegand. “Per questo ci siamo orientati alla mobilità aerea regionale (RAM): in un volo che dura da 30 a 60 minuti beneficiamo di tutti i vantaggi, ovvero più efficienza, minore rumorosità e maggiore velocità”.

La vettorializzazione della spinta, o “thrust vectoring”, offre numerosi altri vantaggi al costruttore di velivoli elettrici. Lilium Jet può essere controllato dal movimento dei motori, senza alcuna necessità di superfici di controllo come avviene invece negli aerei tradizionali. Questo permette di ridurre il peso, semplificare la produzione, il funzionamento e la manutenzione.

Scelta di potenza

Nel configurare il motore, Lilium è stata tradizionale e rivoluzionaria al contempo. Wiegand dice che la scelta più facile è stata decidere se il sistema di propulsione elettrico dovesse richiamare il design di un motore a turboelica o quello dei moderni motori a reazione con ventola intubata.

“I passeggeri preferiscono di gran lunga volare sui jet”, osserva. “Hanno meno vibrazioni, sono più silenziosi e anche un po’ più sicuri, oltre che più veloci. Inoltre hanno più autonomia e capacità”.

La scelta innovativa, invece, ha riguardato il numero di motori. Gli aeroplani ad ala fissa tradizionali hanno da due a quattro motori. Il Lilium Jet ne ha addirittura 30, distribuiti sulle ali principali e sulle alette canard.

Anche in questo caso, la scelta è stata dettata dalla ricerca dell’efficienza. “I motori di grandi dimensioni devono essere montati su gondole installate sotto le ali”, spiega Wiegand. “Questa configurazione aggiunge molto peso e crea resistenza aerodinamica. Abbiamo invece scelto di ripartire il fabbisogno energetico su tanti piccoli motori. Ci siamo riusciti perché si tratta di un sistema di propulsione elettrico scalabile, che ben si adatta, a parità di efficienza, a dimensioni diverse”.

Integrando i motori di piccole dimensioni nelle ali, si riduce la resistenza aerodinamica e, in particolare, il peso. “La superficie delle gondole dei nostri motori fa parte dell’ala e questo aumenta la portanza”.

Soluzione ibrida

L’albero motore ad alta velocità al centro di ciascun motore elettrico del Lilium jet ruota su due cuscinetti, uno disposto dietro la ventola e l’altro nella parte posteriore del motore. Nell’ottica di contenere i pesi, gli ingegneri di Lilium hanno ridotto al minimo le dimensioni dei cuscinetti, analogamente a quanto fatto per gli altri componenti.

Per i motori dei prototipi erano stati impiegati cuscinetti standard, ben sapendo che per le versioni di produzione si sarebbe resa necessaria una soluzione più specialistica. “Per i cuscinetti avevamo requisiti ben definiti”, commenta Wiegand. “Serve un’unità molto efficiente per ridurre al minimo le perdite di potenza e lo sviluppo di calore. Non disponendo di un sistema di lubrificazione a olio o di raffreddamento, i cuscinetti devono operare con lubrificazione a grasso e raffreddamento ad aria. Non ultimo, non sono previste revisioni periodiche dei nostri motori, quindi la durata dei cuscinetti deve uguagliare quella dell’aereo”.

Dove trovare un prodotto in grado di soddisfare tutti questi requisiti? Tre anni fa Lilium si è rivolta a SKF e, da quel momento, le due aziende hanno collaborato per perfezionare una soluzione. Attraverso calcoli, simulazioni e test fisici, il team SKF ha individuato una disposizione di cuscinetti in grado di rispondere alle rigorose esigenze di efficienza e durata, nonché di resistenza a urti e vibrazioni.

Il progetto finale, ora in fase di test al banco presso la sede centrale di Lilium in Baviera, Germania, è un cuscinetto radiale a sfere ibrido, con anelli in acciaio e sfere in ceramica. Lubrificato con un grasso per alte temperature e alte velocità di formulazione avanzata, è munito di tenute, accuratamente selezionate, che garantiscono la protezione dell’ambiente e la ritenzione del grasso, sia che il motore operi in orizzontale durante il volo normale, sia che operi in verticale per il decollo e l’atterraggio.

Pronto al decollo

Alla fine del 2023 Lilium ha avviato la produzione del primo Lilium Jet, che è pronto a decollare per il suo primo volo con equipaggio. I cuscinetti SKF sono tra le migliaia di componenti pronti per la produzione che Lilium andrà ad assemblare sul primo aereo per la certificazione. Questo velivolo, a cui se ne aggiungeranno altri sei, sarà utilizzato per una campagna di test di volo della durata di 18 mesi.

Una volta compiute 1.000 ore di volo a dimostrazione di conformità, nel 2026 sono previste le prime consegne ai clienti. Lilium ha preordini per oltre 700 aerei, con 106 prenotazioni già confermate.

Resta ancora parecchio lavoro da fare, ma nella sua veste di capo dell’ingegneria per l’innovazione e i programmi futuri, Wiegand punta già lo sguardo oltre il Lilium Jet. Grazie ai previsti miglioramenti nella tecnologia delle batterie e dei motori, è convinto che la propulsione elettrica riguarderà presto anche gli aerei di grandi dimensioni. “Sono tutti alla ricerca di modi per decarbonizzare l’aviazione”, dice. E aggiunge che altre possibili soluzioni, come i carburanti sintetici o l’idrogeno verde, affrontano solo parzialmente la sfida dell’impatto climatico, perché non tengono conto delle emissioni ad alta quota prodotte dalle scie e dalle nuvole di condensazione che si formano.

“Ogni anno l’autonomia delle batterie migliora del 5-6 percento”, continua Wiegand. “Entro i prossimi 15-20 anni saremo in grado di costruire aerei di linea elettrici con 80 posti e un’autonomia di oltre 2.000 chilometri. Vale a dire che potremo sostituire l’80 percento dei voli commerciali del mondo con questa tecnologia più silenziosa e pulita”.