Gröna Tåget: il treno del futuro

Si sono conclusi i test del Green Train il pendolino elettrico che tocca nuovi record di velocità, efficienza energetica e rispetto ambientale

Veloce, economico ed efficiente. Queste le tre caratteristiche principali del pendolino elettrico ecologico Gröna Tåget (letteralmente Treno Verde o Green Train). Il progetto, realizzato anche grazie alla collaborazione della Bombardier, leader mondiale nelle soluzioni innovative per il trasporto, riconosce la reale possibilità di garantire velocità elevata, consumi energetici ridotti, minore impatto acustico e costi inferiori rispetto ai prodotti dello stesso livello.

Le caratteristiche del progetto, rivelate dopo un’attenta analisi condotta da un team di esperti svedesi a seguito quattro anni di test, riassumono in un progetto innovativo tutte le idee, le proposte e le tecniche conosciute per raggiungere un obiettivo ben preciso: costruire un treno in grado di percorrere sia le lunghe distanze sia le brevi, offrendo confort e benefici ambientali.

CARATTERISTICHE TECNICHE In grado di percorrere lunghe tratte e di raggiungere velocità elevate il Gröna Tåget, treno elettrico che viaggia senza il bisogno di una locomotiva trainante, è anche abilitato a percorrere le tratte riservate all’alta velocità, dove riesce a raggiungere i 303 chilometri orari garantendo la massima sicurezza anche durante i rigidi inverni che caratterizzano il clima nordico. Al pari riesce a far registrare un’usura limitata dei binari e delle ruote e, percorrendo le tratte tradizionali ad alta velocità, limita notevolmente il rumore generato. Grazie alla progettazione aerodinamica e agli efficienti motori in grado di recuperare l’energia cinetica della frenata, il Green Train consente un recupero energetico del 30-35%. Vista anche la morfologia pianeggiante del territorio svedese, i treni costruiti per affrontare le tratte ferroviarie possono arrivare a lunghezze notevoli e ad una larghezza fuori standard che consente un maggiore carico di passeggeri, soluzione che permette una riduzione sostanziale del prezzo dei biglietti garantendo al contempo elevati standard di confort.

“Attraverso questa collaborazione tra diversi partner, abbiamo raggiunto risultati molto più rapidi e di qualità e portata innovativa notevolmente superiore rispetto al modello tradizionale di sviluppo della progettazione”, ha dichiarato Henrik Tengstrand, Director, Mainline and Metros Vehicle Performance Engineering e Bombardier Project Director per il Green Train.

I TEST Dopo essere stata concepita, la tecnologia sulla quale si basa il funzionamento del Green Train è stata testata a partire dallo scorso 2005 su percorsi totali di 5000 chilometri coinvolgendo nelle prove il settore ferroviario svedese, i produttori, le società che si occupano della costruzione e della gestione delle infrastrutture insieme alle università e agli istituti di ricerca.

E visto che “anche l’occhio vuole la sua parte” il treno elettrico svedese è stato concepito per avere anche un’attrattiva estetica oltreché ambientale, in modo da indurre i passeggeri a scegliere un treno che oltre che veloce ed ecologico sia anche bello e confortevole. In grado di abbattere notevolmente i tempi di percorrenza: per le tratte regionali si riducono anche di mezz’ora mentre per i viaggi più lunghi sono stati registrati miglioramenti anche di 4 o 5 ore. La velocità elevata costante, garantita anche in curva, permette infatti al Gröna Tåget di registrare performance che lo mettono al primo posto per velocità ed efficienza. Grazie alla predisposizione studiata dai tecnici il treno permette di aggiungere o eliminare convogli a seconda della richiesta di posti, della lunghezza della tratta o delle necessità durante le ore di punta. Adattando l’offerta alla domanda si garantirà anche il funzionamento esclusivo dei convogli necessari, evitando sprechi energetici e inutili carichi.

GLI OBIETTIVI DEL PROGETTO GRÖNA TARGETZONE Tra i principali obiettivi del progetto la ricerca di tecnologie e concetti con l’obiettivo comune di migliorare le prestazioni ambientali mantenendo alte le prestazioni del viaggio su rotaie. Un viaggio, quello effettuato a bordo di un treno elettrico, che garantisce bassi consumi energetici per chilometro percorso e per passeggero trasportato, con la possibilità di garantire agli utenti il consumo esclusivo di elettricità generata da fonte rinnovabile in modo da limitare anche il rilascio di gas serra.

Grazie agli standard di efficienza raggiunti, la possibilità di recuperare l’energia cinetica della frenata, l’ottimizzazione degli spazi e il basso impatto ambientale è stato possibile ottenere energia a basso consumo nell’ordine di 50-55 Wh per passeggeri-km, equivalenti a circa 0,005 litri di benzina per passeggero-km.

ALTA VELOCITA’ E BASSO IMPATTO ACUSTICO Un treno in movimento produce il rumore conseguente al passaggio dell’aria sulla superficie esterna del convoglio, rumore che può essere ridotto studiando al meglio l’aerodinamicità delle vetture. Ma l’impatto acustico è anche determinato dalle accelerazioni e dalle frenate, più numerose nei tratti a breve percorrenza oltre, naturalmente, al rumore dell’attrito tra ruota e rotaia. Tali problematiche sono state affrontate e risolte istallando degli ammortizzatori ad alta efficienza e le barriere assorbi rumore che hanno ridotto notevolmente l’impatto acustico del treno in movimento dimezzandolo.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.