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Tecnica - Il Kers

Riceviamo e pubblichiamo l'interessante lavoro svolto da uno studente del Liceo Castelnuovo di Firenze, Lorenzo Fattorini, su una delle novità che hanno movimentato l'annata sportiva della F1: il Kers.


Non si tratta di ritrovare la via regia delle idee, di ripercorrere la marcia trionfale del progresso verso quella che appare oggi come la soluzione, di utilizzare i valori razionali oggi dominanti per interpretare il passato e ricercarvi la prefigurazione del presente.
Occorre invece individuare le tappe della conoscenza, precisarne gli sviluppi, mettere in luce le condizioni che permettono agli oggetti del sapere e alle loro interpretazioni di entrare nel campo del possibile.
Ogni epoca è caratterizzata da un campo di possibilità definito non solo dalla teoria, ma dalla natura stessa degli oggetti accessibili all’analisi.
Solo all’interno di questa regione il pensiero logico può svilupparsi.

Jacob “la logica del vivente”


Introduzione
Tra le novità apportate nel mondiale 2009 di F1 compare il KERS, un marchingegno pesante 35 kg che ha costretto i piloti a dimagrire per permettere ai meccanici di montarlo sulle loro vetture e renderlo operativo. Nascosto sotto la scocca alle spalle del pilota, il kers è un motore elettrico collocato sotto il motore tradizionale. Questa che in formula 1 rappresenta una vera e propria innovazione, è oggi già utilizzata tutti i giorni nelle macchine elettriche, dove è necessario recuperare energia durante le frenate per ricaricare il motore della vettura, nonché sulle macchine ibride, quelle cioè che necessitano sia di benzina che di elettricità.


Cos’è il Kers e l’impatto ambientale
Il KERS, acronimo di Kinetic Energy Recovery System, ossia Sistema Cinetico di Recupero dell’Energia, è un innovativo dispositivo meccanico compatto, efficiente e realmente poco inquinante: consente infatti di ridurre sensibilmente i consumi della vettura, cosa testimoniata dalla riduzione della capacità del serbatoio, in quanto la potenza erogata dal kers va a sostituire quella che verrebbe prodotta dalla quantità di benzina eliminata. Di conseguenza, riducendo la benzina, si riducono le emissioni inquinanti.
E’ un sistema che recupera l’energia termica del sistema ruota-freni e cinetica della vettura, che altrimenti verrebbe dissipata durante la fase di decelerazione e frenata, immagazzinandole in una batteria o condensatore; queste sono trasformate in energia meccanica, e potranno essere nuovamente spendibili per la trazione del veicolo stesso, garantendo così prestazioni del motore più elevate ed un minor consumo di carburante. Ciò consentirà inoltre di diminuzione la produzione di anidride carbonica. Inoltre, come effetto secondario, facilita la frenata, essendo una resistenza ulteriore ai freni (per una testimonianza di ciò vedi “esperienze personali”).
Ci sono numerose tipologie di kers, differenziate dalle componenti del dispositivo, ma in generale ci sono 3 grandi gruppi: il kers elettrico, che qui tratterò in quanto il più usato in f1, basato su batterie o accumulatori di energia, quale un condensatore, il kers meccanico, che sfrutta il volano, e quello ibrido.
Lo stesso pilota può azionare questa “riserva di potenziale” premendo un pulsante sul suo volante, cosa che può avvenire una o più volte a giro, fino a quando la riserva energetica non è totalmente esaurita. La massima potenza restituibile dal kers è pari a 60 KW come da regolamento, che corrispondono ad 80 cv per un arco di tempo pari a 6,67 secondi.
Ovviamente questa scelta comporta un adeguamento del setup, e specialmente in fase di sorpasso, una modifica all’alettone anteriore, che da quest’anno, proprio per facilitare ed ottimizzare il lavoro svolto dal Kers può essere alzato o abbassato di 6°, modificando il taglio che ha la macchina col vento. Il modo migliore per utilizzare tale energia potrebbe essere all’inizio di un lungo tratto rettilineo, per ottimizzare il surplus di potenza ed avere più accelerazione, ma anche all’uscita di una curva, per “raddrizzare” l’auto in caso di sotto/sovrasterzo e per farle ottenere una accelerazione maggiore: con una maggior trazione infatti l’auto può percorrere più velocemente la curva stessa, ed ottenere così una velocità d’uscita più elevata, oltre che una migliore accelerazione.
L’unico neo di questo prodotto è il costo: molti milioni sono stati spesi per produrlo.


Struttura del Kers
La regola base su cui si fonda ogni tipologia di kers è che l’energia non si crea né si distrugge: si modifica solamente. In F1 sono state sviluppate due diverse tipologie di kers: quella ibrida (meccanica ed elettrica) e quella elettrica, anche se è la sola Williams ad aver accettato la prima soluzione.
La prima soluzione consiste in un volano connesso al sistema di trazione, in particolare alla sospensione posteriore, grazie ad una trasmissione a rapporto variabile che sfrutta comuni ingranaggi.
Il regolamento imposto dalla FIA impone infatti di limitarsi alla sola sospensione posteriore almeno sino al 2011. Il volano è costituito da fibre di carbonio avvolte intorno ad una struttura in acciaio del peso di 5 Kg. Se si sposta il rapporto verso valori alti, allora il sistema accumula energia; di contro, con valori di rapporto bassi invece l’energia accumulata verrà rilasciata.
Visto dall’interno, il kers è poi costituito da 2 dischi, uno utilizzato per l’ingresso dell’energia da recuperare (di input) e uno per rilasciare l’energia accumulata (di output); ciascun disco ha forma toroidale (a ciambella) all’interno dei quali passano due o tre cilindri, posizionati in modo tale che il bordo più esterno di ciascuno di essi sia in contatto con la cavità dei dischi di input e di output. Quando il disco di input ruota, il movimento viene trasferito attraverso cilindri al disco di output, così questo inizia a ruotare con direzione opposta al disco di input. Il trasferimento vero e proprio del movimento e di conseguenza della potenza, è affidato ad un sottilissimo film di liquido di transizione ad elevato peso molecolare sviluppato appositamente, questo liquido è costituito da molecole molto lunghe che, durante il funzionamento dell’apparato, si distendono completamente. Il liquido viene posto tra la superficie interna dei dischi ed i cilindri, su tutte le superfici di contatto tra i cilindri.
Lo scopo del liquido di trazione è esattamente l’opposto di quello di un lubrificante: il liquido di trazione deve mantenere “incollati” gli organi, cilindri e dischi, in modo da favorire la trasmissione della maggior quantità possibile di energia cinetica. I due dischi sono inoltre fissati insieme e la pressione che mantiene assieme questi due organi può essere variata. L’energia così raccolta in una batteria posta dietro la testa del pilota, che può utilizzarla quando vuole, premendo il bottone che ha sul volante: il sistema gira in senso opposto e si scarica la batteria. Si velocizza il movimento della sospensione posteriore (che si va così a sommare all’azione del motore), aumentando di conseguenza la potenza.
La maggioranza delle scuderie infatti adotta il KERS elettrico, più semplice come schema, anche se risulta molto più complesso nel posizionamento dei pesi ausiliari.
Il problema che da sempre ha assillato i suoi progettisti è stato quello di dove poter stoccare l’energia accumulata per poterla utilizzare il meglio possibile nel momento desiderato. La sola Williams ha cercato di trovare un compromesso tra volano e batterie, mentre le altre scuderie hanno optato per una batteria ricaricabile, che nella maggior parte dei casi è al litio, nota come accumulatore litio-ione (a volte abbreviato Li-Ion), comunemente impiegata nell' elettronica di consumo: è attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per telefoni cellulari, con uno dei migliori rapporti potenza-peso, nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è in uso. Tali batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e se vengono danneggiate, e comunque, a meno che non vengano trattate con cura, si assume che possano avere una vita utile più corta rispetto ad altri tipi di batteria.
Così, la linea che è stata scelta è stata quella del kers elettrico, basata sempre in un collegamento con l’asse posteriore. Quando la vettura frena, l’energia cinetica prodotta dalla frenata viene convertita in energia meccanica dal motore elettrico, che qui funziona come generatore, per essere poi depositata in una batteria al litio.
In alternativa a questo tipo di batterie la bosh ne ha proposto un tipo molto più complesso, basato su un sistema di raffreddamento, in aiuto alle prese d’aria già presenti sull’abitacolo. Questa è attaccata sul fondo della vettura a lato del propulsore, mentre il motore elettrico è posto all’interno del cambio e collegato alla coppia conica della batteria stessa attraverso dei cavi o rapporti.
Fondamentale risulta così essere la presenza di un inverter, che fa cambiare funzione al motore elettrico: esso si comporta come una dinamo-alternatore in fase di frenata, per caricare velocemente la batteria, operando tra i 400 V e gli 800 A, mentre in accelerazione riacquista la funzione di motore elettrico in aiuto al motore della monoposto. In questo modo, il pilota premendo un bottone scarica la batteria, la cui energia passa nel motore elettrico che conferisce il surplus di energia. La Ferrari ha scelto di collocarlo nella zona mediana della monoposto.
Ci sono varie differenza tra le due modalità: il kers elettrico rispetto al kers meccanico è più pesante di una decina di chili, grande svantaggio in un mondo dove gli eccessi di peso si pagano a caro prezzo, ma presenta il vantaggio di essere modulabile, avendo una serie di soluzione di installazioni gestibili a piacimento. Una di queste ad esempio con il motore direttamente collegato alla coppia conica della trasmissione ed il pacco batterie a lato del motore.
Altra novità connessa al Kers è l’introduzione di una frizione, già presente sulle auto, ma solo per la partenza (senza di essa, il motore si spegnerebbe sempre alla partenza della vettura), con lo scopo di separare il sistema di trasmissione dal dispositivo nel caso in cui vengano superati i limiti imposti dal regolamento.
Importante è inoltre considerare che come una comune batteria, nell’accumulazione dell’energia il kers si surriscalda moltissimo: per questo le case costruttrici hanno dovuto allargare molto le pance e aumentare (per quanto possibile per via del nuovo regolamento) le prese d’aria, di modo che il kers potesse raffreddarsi ed evitare pericolosi effetti secondari, che possono arrivare anche all’esplosione dello stesso.
Infine, importante è stato anche lo studio per il posizionamento degli accessori connessi al kers, in modo da creare un’ottimale integrazione con l’auto: per il bilanciamento dei pesi, il modulo elettrico è collocato a monte del propulsore. La batteria al litio, pesante 12 chili, è posizionata sul fondo dell’auto in funzione di zavorra. Inoltre, è stato modificato anche il serbatoio, sagomato (tagliato) per essere posto sopra il motore elettrico: serbatoio che avrà meno capacità, compensata dal surplus di energia dato dal kers.

Studiando il Kers: il motore elettrico
Il motore elettrico è senza dubbio la chiave del funzionamento del kers. Preferito a dei semplici magneti per il costo e il peso (indubbiamente inferiore), grazie ad un inverter svolge la funzione di generatore in fase di carica e quella di motore elettrico in fase di scarica. In F1 è utilizzato il modello universale, ovvero utilizzabile sia con correnti alternate che continue.
Vediamo di capire nel dettaglio come funziona questo componente fondamentale.
Il motore elettrico è un oggetto atto alla conversione dell’energia elettrica in meccanica, nuovamente spendibile. E’ un dispositivo composto da due parti: lo statore, che concerne le parti fisse, ed è il componente esterno, ed il rotore, l’insieme delle parti rotanti interne allo statore. Il rotore è collegato ad una lamina a cui sono agganciati due cuscinetti con sfere d’acciaio al loro interno per ridurre l’attrito, massimizzando così le prestazioni. Altro componente fondamentale è il commutatore, che ruota insieme al rotore e che consente l’inversione del flusso di corrente all’interno del rotore. Varie spire infatti ruotano all’interno del motore elettrico per induzione elettromagnetica, tutte collegate al commutatore: queste ruotano immerse in un campo magnetico B generato dalle parti opposte dello statore. La corrente circolante nella spira genera così una forza F che fa ruotare la spira di 90°. A questo punto la corrente si inverte grazie al commutatore e la spira ruota di altri 90° nella stessa direzione. Così, se la corrente è invertita ogni 90°, il moto delle spire può essere considerato circolare uniforme a frequenza f costante.
Considero l’angolo Q(t)=wt=2p/T=2pf tra il campo magnetico e la normale alla spira (w è la velocità angolare). Il flusso magnetico Fb=NBAcosQ(t) che si genera con la rotazione è variabile: ruotando la spira, varia l’ampiezza di Q(t).
Quindi per la legge di Faraday, Newmann, Lenz v=-(DFb)/(Dt)=-(NBAcoswt)/(Dt) Derivo: v=-NBA(-wsen(wt))=wNBAsenwt
Per utilizzare al massimo il Kers è necessario usare la f.e.m. maggiore possibile, che si avrà quando il seno, unica variabile, è uguale ad 1, suo valore massimo.
vmax=wNBA da cui v=vmaxsenwt

Come hanno reagito le case produttrici ed effetti secondari
Dopo che grazie a particolari studi tempistici in simulazione, si era giunti a calcolare che grazie a questa innovazione ogni vettura guadagnerà circa 3 decimi al secondo, è scattata la corsa alla costruzione del Kers.
In particolar modo la Ferrari, nonostante un iniziale scetticismo, ha portato avanti questo sviluppo, in collaborazione col gruppo Magneti Marelli. Il responsabile del progetto per Magneti Marelli, l’ingegnere Roberto Dalla, afferma che "quando il pilota frena l’energia sviluppata viene trasferita a un motorino che, attraverso una centralina, la passa a una serie di batterie speciali. La potenza accumulata potrà essere utilizzata tramite un pulsante posto sul volante, attraverso al motorino stesso collegato alla trasmissione". La nuova auto presentata da Ferrari, la F60, è stata infatti progettata per sfruttare il Kers, posizionato sul motore al di sotto della scocca.
Altre case invece hanno riscontrato molti problemi con questo nuovo apparecchio tecnologico: la BMW, ad esempio, ha rinunciato a questa innovazione proprio a causa dei gravi e pericolosi effetti collaterali collegati ad esso.
Durante i test sulla pista di Jerez di febbraio, la BMW ha testato il kers su una monoposto. Al rientro del mezzo ai box, un meccanico nel toccare la vettura per portarla in garage è stato colpito da una tremenda scossa elettrica che lo ha messo ko per alcuni minuti. La dispersione elettrica del Kers fa sì che continue scosse elettriche di notevole intensità corrano lungo tutto l’abitacolo, trasformando l’auto in una specie di catalizzatore di energia.
Se l’auto è accesa e viene toccata sul volante e contemporaneamente sul telaio sopra il casco del pilota, essa si comporta come un materiale conduttore, essendo in fibra di carbonio, e passa l’elettricità all’oggetto che l’ha toccata. L’accoppiamento infatti tra i circuiti del volante, che sono a bassa tensione (12 v), e quelli di una centralina del Kers, posta poco dietro il volante, che funziona a tensioni più elevate, ha causato un surplus di energia che il meccanico ha scaricato sul telaio attraverso se stesso. Per questo, se la macchina si ferma a bordo pista i piloti scattano fuori a gran velocità dall’abitacolo, temendo di prendersi una scossa.
Le case produttrici hanno così deciso di far indossare guanti isolanti ai propri meccanici, almeno fino a quando la macchina non sarà spenta.
Questa vicenda ha dato il via a numerose polemiche sull’introduzione del Kers con la FIA, la federazione internazionale dell’automobilismo, che non si sono ancora placate.


Può essere considerato un fallimento del progresso scientifico?
Le numerose polemiche sopracitate, hanno dato il via ad uno studio più accurato dei pro e dei contro del Kers, cosa che ha portato a una serie molto (forse troppo) lunga di aspetti negativi.
Innanzitutto, l’energia di immagazzinamento prevista dalla FIA è talmente piccola ed irrisoria da non giustificare milioni di euro spesi da parte delle scuderie in ricerca, prove e sviluppo: la FIA nel 2009 ha stabilito di far recuperare un quantitativo di energia pari a 400KJ per giro di pista. Il problema è che la semplice perdita di un chilo di benzina conferisce all’auto un miglioramento nelle sue prestazioni calcolabile con un quantitativo di energia pari a dieci volte tanto il guadagno consentito dal kers. Se in un giro si perdono mediamente due chili nei vari circuiti, il guadagno fornito dal kers risulta essere minimo.
Un altro grande neo è il peso del kers: il vantaggio di circa 3 o 4 decimi al giro consentito è annullato dal peso del sistema, pari a circa 35 kg e dalla distribuzione dei pesi che, per quanto saggiamente studiata, non può essere ottimale: tutto ciò agevola i sorpassi solo in minima parte.
Altro elemento da considerare: se tutti utilizzassero il kers, come è sperabile, data l’enorme quantità di denaro che si è speso per realizzarlo, il pilota che tenta il sorpasso utilizzando il KERS potrebbe vedere vani i suoi sforzi, in quanto il sorpassato potrà rispondere anch’esso con l’utilizzo del KERS.
Tutto ciò ha portato ad un progressivo abbandono del Kers, che già era utilizzato dalle sole case Ferrari e BMW. E’ il fallimento di un progetto scientifico che ha fatto spendere milioni di euro in una stagione che doveva essere all’insegna del risparmio per via della crisi economica e che ha costretto i piloti a diete massacranti per rispettare il peso–massimo consentito dalla FIA.
Importante è pero prendere atto del tentativo attuato per cercare di limitare l’impatto ambientale che un campionato di formula 1 provoca. Pur avendo così notevoli difetti, soprattutto dovuti all’ambito in cui lo si è applicato, il kers è un lodevole tentativo di trovare un modo di ridurre inquinamento e sprechi energetici, sfida che concernerà il nostro imminente futuro. E’ così legittimo affermare che il kers rappresenti una tappa nelle continue sperimentazioni volte a migliorare le condizioni ambientali del nostro pianeta.

Esperienze personali
Questo marzo mi sono recato a Parigi con la scuola in visita scolastica. Mentre stavamo visitando la Villette, sede della città della scienza, abbiamo potuto apprezzare dal vivo un sistema che consentiva il recupero dell’energia che la ruota produce durante la sua rotazione: una sorta di kers insomma.
Questo meccanismo è formato da una manovella che fa girare una ruota d’automobile ad essa collegata. Quest’ultima è collegata attraverso un cavo metallico conduttore al rotore. Vi è inoltre un elemento mobile, che ha la funzione dello statore in un motore elettrico, spostabile con una manovella. Quando questo viene portato sopra il rotore, si forma una specie di motore elettrico: questo applica una resistenza notevole, provata sperimentalmente in quanto io stesso ho avvertito che la forza necessaria per far girare la ruota è notevolmente maggiore se il simil-statore è sopra il rotore.
In particolare, se lo statore non è sopra il rotore, la ruota gira “a vuoto” non producendo alcun effetto; mentre se lo è, i cavi collegati al rotore trasmettono l’energia che arriva dal cavo ad un percussore che comincia a colpire un piccolo campanello, a testimonianza della trasmissione di energia meccanica.
Ecco così un esempio di kers.


Bibliografia
• la nazione – speciale formula 1 di mercoledì 25 marzo 2009
• www.gazzetta.it/Motori/Formula1/Primo_Piano/2008/07_Luglio/09/kers
• www.Wikipedia.it
• www.f1webtech.net/Tecnica/tecnica-kers-come-funziona-pregi-e-difetti/Il-Kers-elettrico
• www.racecar-engineering.com/allarticles/314363/f1-basics-how-kers-works
• www.racecar-engineering.com/allarticles/281974/f1-kers-bosch-goes-modular
• “La logica del vivente” Jacob

 

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