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Mark Patrick, Mouser Electronics

Questa serie di blog, articolata in cinque parti, analizza le opportunità della mobilità aerea urbana (UAM – Urban Air Mobility), la nuova frontiera dei trasporti urbani che prevede l’uso di aeromobili a propulsione elettrica. Verranno inoltre esaminate le problematiche di natura tecnica che devono essere affrontate, tra cui l’autonomia degli aeromobili, la sicurezza funzionale, la sicurezza elettrica e la complessità architetturale.

1.Aumentare l’autonomia

L’ansia da autonomia è solitamente associata ai veicoli elettrici, anche se col tempo la percezione è cambiata, grazie ai miglioramenti tecnologici e alla maggiore esperienza acquisita dagli utenti nella guida di questo tipo di veicoli. È comunque innegabile che, in volo, una segnalazione di batteria prossima all’esaurimento in un drone adibito al trasporto passeggeri scatenerebbe reazioni decisamente più preoccupanti. Questa prospettiva suggerisce che l’accesso “ad hoc” ai velivoli personali potrebbe non diventare mai realtà. I servizi di aerotaxi urbani, con licenza di volare su rotte prestabilite, dove l’autonomia può essere calcolata con un ampio margine di sicurezza, potrebbero invece trovare un’applicazione concreta.

A questo punto è utile domandarsi quali siano le attuali possibilità in termini di autonomia e prestazioni. Volocopter, un costruttore tedesco di veicoli elettrici a decollo e atterraggio verticali (eVTOL – electric Vertical Take-off and Landing) afferma che il proprio aerotaxi urbano VoloCity ha completato, con diverse versioni di prototipi, oltre 1500 test di volo. VoloCity dispone di 18 rotori e 9 pacchi batteria a ioni di litio (Li-Ion).

Figura 1: L’aerotaxi VoloCity realizzato da Volocopter GmbH (Fonte: Volocopter GmbH. Questa immagine è coperta da copyright. Tutti i diritti sono riservati, inclusi la riproduzione, la distribuzione e altri usi)

Poiché ciascun pacco batteria alimenta due rotori, questo veicolo è caratterizzato da una ridondanza intrinseca che garantisce la sicurezza in caso di guasto o avaria (failsafe). Ciò significa che, al verificarsi di qualsiasi fenomeno imprevisto di scarica rapida della batteria di un singolo pacco oppure di un guasto a un motore o a un inverter, il multicottero dovrebbe avere una potenza sufficiente per un atterraggio sicuro (anche se ovviamente di emergenza). I pacchi batteria sono intercambiabili, e questo potrebbe contribuire a ridurre il tempo necessario per approntare il veicolo per un nuovo decollo con una carica completa. Ciò si traduce anche in un vantaggio per gli operatori, che potranno così rientrare in tempi più brevi dagli investimenti.

Il veicolo in questione, in base ai dati forniti dal produttore, ha un peso a vuoto di 700 kg e un peso massimo al decollo di 900 kg. Secondo la società, si tratta di un peso sufficiente per trasportare due passeggeri con bagaglio. L’autonomia massima di volo è di 35 Km. In uno studio condotto nel 2021 per identificare i problemi dello spazio aereo , l’Autorità per l’Aviazione Civile (CAA – Civil Aviation Authority) britannica ha preso in esame un teorico servizio di aerotaxi tra l’aeroporto di Heathrow e il London City Airport. Essendo la distanza aerea diretta tra le due destinazioni di 24 Km, l’aerotaxi urbano VoloCity sarebbe teoricamente in grado di compiere il tragitto senza fermarsi, con un’autonomia rimanente pari a circa il 50%. Questi dati suggeriscono che, dal punto di vista tecnologico, non sussistono ostacoli all’introduzione di servizi commerciali, anche se chi si occupa della pianificazione dei voli deve tener conto degli effetti delle restrizioni dello spazio aereo (porzioni di spazio aereo entro il quale il volo degli aeromobili è vietato), delle deviazioni di emergenza, delle condizioni meteorologiche avverse e di altri fattori. Fare una sosta lungo il percorso per sostituire le batterie potrebbe rappresentare un’opzione, anche se i veicoli di prossima generazione dovrebbero consentire di effettuare voli più lunghi.

2.I progressi tecnologici

Il miglioramento di diversi aspetti dell’architettura del veicolo, come la tecnologia, il monitoraggio e la gestione delle batterie e l’elettronica di potenza, è la leva utilizzata dall’industria automobilistica per aumentare le prestazioni e l’autonomia dei veicoli elettrici (EV). Si tratta delle medesime aree sulle quali i costruttori di veicoli per la mobilità aerea urbana dovrebbero focalizzare la loro attenzione.

Tecnologia delle batterie

Le batterie ad alta densità di energia sono fondamentali per ottimizzare l’autonomia e la durata senza penalizzare la capacità del carico utile (payload). Le batterie attualmente più diffuse sono quelle a ioni di litio, anche se gli spazi di miglioramento tendono progressivamente a ridursi man mano che questa tecnologia si avvicina alla maturità. Tra le possibili alternative, i supercondensatori si propongono come un’alternativa interessante, al pari di alcuni tipi di batterie innovative, come quelle a stato solido o al litio-zolfo, che dovrebbero garantire una densità di energia più elevata e una maggior sicurezza, a fronte di una riduzione dei costi durante il ciclo di vita.

Gestione e monitoraggio delle batterie

Una migliore gestione delle batterie potrebbe aumentare l’autonomia di volo attraverso un monitoraggio accurato dello stato di salute (SoH – State of Health) e dello stato di carica (SoC – State of Charge) delle batterie, mentre il bilanciamento delle celle contribuisce a preservare capacità ed efficienza. Allo stesso tempo, la sicurezza della batteria è di fondamentale importanza e richiede un’adeguata protezione, oltre a una gestione termica efficace eseguita utilizzando sistemi dal peso e dalle dimensioni ridotte.

L’elettronica di potenza

Nel campo dell’elettronica di potenza, i semiconduttori ad ampio bandgap (WBG – Wide BandGap) possono assicurare ai veicoli per la mobilità aerea urbana i medesimi vantaggi riscontrabili nei veicoli elettrici che circolano sulle nostre strade. Questi includono la maggiore efficienza di commutazione, che consente di aumentare la frequenza di funzionamento, le dimensioni inferiori a parità di tensione nominale, la possibilità di operare a temperature più elevate e la migliore affidabilità. L’incremento della frequenza di funzionamento consente l’utilizzo di componenti passivi più piccoli nei circuiti di alimentazione, con una conseguente riduzione delle dimensioni e del peso del modulo. La possibilità di operare a temperature più elevate contribuisce a semplificare la gestione termica, con un’ulteriore diminuzione del peso.

L’integrazione e l’ottimizzazione del sistema complessivo sono essenziali per i veicoli elettrici utilizzati per la mobilità aerea urbana, al fine di bilanciare adeguatamente l’interazione tra le diverse tecnologie coinvolte – batterie, motori, gestione delle batterie ed elettronica di potenza – e conseguire gli obiettivi prefissati in termini di prestazioni e sicurezza.

Oltre all’autonomia di volo, un altro aspetto da tenere in considerazione è il tempo residuo prima del fine vita utile (EoL – End of Life) delle batterie, un indicatore prezioso per evitare un eccessivo deterioramento in servizio. Lo smaltimento delle batterie dismesse, infine, deve essere gestito in modo appropriato. Come già suggerito per le batterie dei veicoli elettrici, queste ultime potrebbero essere riutilizzate (second life) per i sistemi di stoccaggio dell’energia collegati alla rete elettrica.

3.Gli sviluppi del mercato

Nel frattempo, le Autorità preposte alla regolamentazione si stanno preparando. Prima al mondo, l’EASA (European Union Aviation Safety Agency) ha proposto nel 2022 un quadro normativo sui servizi svolti dagli eVTOL come gli aerotaxi. Esso copre diversi aspetti tra cui l’aeronavigabilità, le operazioni di volo, le licenze degli equipaggi e le norme aeree.

Secondo le società specializzate in analisi di mercato, il futuro della mobilità aerea urbana appare promettente. Alcuni operatori prevedono di avviare servizi commerciali con gli aerotaxi nelle principali città europee nel 2024. Uno studio sul futuro di questo settore condotto da McKinsey prevede che i maggiori operatori entro il 2030 gestiranno 20.000 voli giornalieri, con una durata media di ciascun volo pari a circa 18 minuti.

4.Considerazioni conclusive

Anche se è assai probabile che l’autonomia degli eVTOL possa aumentare in misura tale da garantire un margine di sicurezza sufficiente per le distanze tipiche dei tragitti previsti per i servizi UAM, l’energia delle batterie è solo uno degli elementi richiesti per mantenere i veicoli in volo. Nel terzo blog di questa serie verranno discussi gli aspetti tecnici e normativi che riguardano la sicurezza funzionale e che devono essere considerati in fase di progettazione dell’aeromobile.

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