Una torre a caduta di superlativi

I convertitori di frequenza GEFRAN sono stati installati nell'esclusivo ascensore Einstein di Hannover, in Germania.

di Giuseppe Savoca

Esperimenti di ingegneria fisica e di produzione per applicazioni nello spazio, sulla Luna o persino su Marte: ciò che sembra fantascienza potrebbe presto diventare realtà. Esperimenti di ricerca a questo scopo sono già in corso in una nuova torre di caduta libera presso l'Università Leibniz di Hannover. Si tratta dell'Einstein Elevator,[1-2] dove è possibile impostare condizioni gravitazionali variabili con un'assenza di peso fino a 4 secondi. La capsula di prova nella torre viene accelerata da un sistema di azionamento ad alta potenza con un fabbisogno energetico di diversi megawatt. GEFRAN ha prodotto i convertitori di frequenza che controllano l'alimentazione.

La Luna è un punto di partenza ideale per le spedizioni e potrebbe persino fungere da stazione di ricerca in futuro. I voli spaziali con equipaggio, pertanto, richiedono sempre più attrezzature da utilizzare per produrre materiali da costruzione o per la produzione di componenti e pezzi di ricambio. I ricercatori del Laser Zentrum Hannover eV e dell'IRAS Institute for Space Flight Systems dell'Università Tecnica di Braunschweig, entrambi in Germania, stanno attualmente lavorando al progetto MOONRISE (vedi riquadro) per sviluppare un laser in grado di fondere la polvere lunare e trasformarla in sfere solide. "Questo è il primo passo per portare la stampa 3D sulla Luna in futuro", afferma il Dr. Ludger Overmeyer, direttore dell'Istituto per la Tecnologia dell'Automazione dei Trasporti (ITA) presso Leibniz, presidente del consiglio di ricerca del Laser Zentrum Hannover e responsabile del progetto MOONRISE.

"Le fasi di produzione o lavorazione in questo ambiente avvengono in condizioni gravitazionali completamente diverse rispetto a quelle terrestri", spiega Overmeyer. Per simulare le condizioni ambientali nello spazio, l'ITA, in collaborazione con l'Istituto di Ottica Quantistica di Leibniz, ha avviato il progetto alcuni anni fa, che è entrato in funzione all'inizio di quest'anno.

Tre, due, uno, via!

Mentre la frequenza di ripetizione per altre torri di caduta è di soli due o tre esperimenti al giorno, nell'Einstein Elevator è possibile avviare un nuovo test ogni 4 minuti, per un totale teorico di 300 voli al giorno con un funzionamento su tre turni. Invece di grandi camere a vuoto e di una caduta libera, come in altre torri, una camera di prova – sotto forma di una gondola guidata su rotaie – si muove su e giù a velocità elevatissime. L'Einstein Elevator è anche la prima torre al mondo in grado di simulare diverse condizioni gravitazionali, oltre all'assenza di peso. Con un diametro di 1.7 m, un'altezza di 2 m e una capacità massima di 1000 kg, la gondola è sufficientemente grande per ospitare configurazioni sperimentali.

"L'Einstein Elevator è un capolavoro di ingegneria interdisciplinare che combina la tecnologia di azionamento delle montagne russe con la precisione di posizionamento di un centro di lavorazione", spiega Overmeyer. La sfida consiste nello spostare carichi pesanti a velocità elevatissime e frenare con assoluta precisione. I motori devono fornire una potenza enorme e deve essere presente un elevato livello di automazione. Il sistema deve inoltre essere dotato di tecnologie di misurazione e controllo estremamente precise.

I convertitori sono estremamente importanti anche per la sincronizzazione. Il sistema comprende tre gruppi di trasmissione indipendenti. Due di essi sono utilizzati per accelerare la gondola. "Ogni gruppo di trasmissione è dotato di cinque convertitori di frequenza GEFRAN serie ADV200[3] collegati in parallelo. Ognuno ha una potenza di 400 kW, più un sovraccarico fino al 180% per muovere il sistema verso l'alto con un elevato livello di simmetria", spiega Christoph Lotz, project manager per l'Einstein Elevator presso ITA. Il terzo gruppo di trasmissione controlla l'altezza di volo stazionario (assenza di peso) e genera le accelerazioni variabili.

Sistema di azionamento ad alta potenza

Il sistema avanzato di azionamento, frenata e controllo per il funzionamento dell'Einstein Elevator (inclusa la tecnologia di hovering) è stato sviluppato da INTRASYS GmbH[4] in collaborazione con l'Università Leibniz di Hannover. Ciò consente l'accelerazione verticale della cabina, che pesa oltre 1 mT, con una forza di 5 G fino a 72 km/h in 0.5 s, nonché una successiva frenata sicura. Per raggiungere questo obiettivo, i sistemi di azionamento lineare forniti dall'azienda richiedono correnti molto elevate per alcuni secondi. "Quando la cabina si solleva, i convertitori GEFRAN assorbono un'enorme quantità di energia dal sistema di accumulo di energia a batteria a supercondensatore (SC) di STERCOM GmbH[5] e la forniscono agli statori", spiega il Dott. Tobias Hollmer, amministratore delegato della Ricerca e Sviluppo di INTRASYS. Negli statori, la corrente crea un campo magnetico che interagisce con un altro campo magnetico per azionare il veicolo.

L'Einstein Elevator utilizza componenti sia standard che specializzati, sviluppati appositamente dal produttore dell'azionamento per la torre di caduta. "A differenza dei nostri collaudati azionamenti per montagne russe, per questo progetto abbiamo dovuto implementare un sistema di posizionamento molto più preciso", afferma Hollmer. "Ciò era necessario per soddisfare i severi requisiti di accuratezza del controllo del sistema". Data la dinamicità dell'applicazione, l'azienda utilizza anche un nuovo metodo per la trasmissione ottica dei dati, poiché non esisteva una soluzione pronta all'uso sul mercato.

Misura e controllo

Un altro aspetto decisivo è la perfetta interazione tra la tecnologia di controllo e quella di misurazione. "I nostri sensori sono montati direttamente sulla gondola e inviano dati in tempo reale al sistema di azionamento, installato nella torre", spiega Lotz. "È stata una sfida, considerando che deve funzionare correttamente non solo ad alte velocità, ma anche su un percorso così lungo nella torre di caduta alta 40 metri".

Per ottenere un controllo preciso del volo stazionario, INTRASYS ha anche sviluppato un nuovo sistema di controllo e un giogo magnetico appositamente progettato che riduce notevolmente il peso rispetto a quello dei gioghi standard. Hollmer afferma:

"Con questo sistema stiamo decisamente esplorando nuove frontiere tecnologiche. Dal mio punto di vista, la combinazione di una potenza di propulsione così elevata, fino a 5 MW, e di un controllo ad alta precisione, che consente di mantenere costante l'altezza di volo stazionario all'interno della navicella entro pochi millimetri, è particolarmente impressionante."

Sistema di accumulo ad alta potenza

Quando, durante la progettazione della torre di caduta, è emerso che una potenza così elevata per l'azionamento non poteva essere semplicemente ricavata dalla rete elettrica, è stata interpellata STERCOM, azienda specializzata nella costruzione di sistemi di accumulo ad alta potenza. "Se avessimo semplicemente collegato i convertitori GEFRAN alla rete elettrica in modo che convertissero la tensione alternata in continua, ciò avrebbe comportato un carico enorme sulla rete di alimentazione, causando il crollo della tensione nelle sensibili strutture di ricerca nelle vicinanze", spiega Robert Sterff, CEO e fondatore di STERCOM. "L'energia necessaria per l'Einstein Elevator richiede l'uso di un accumulo tampone ad alta potenza che si carica lentamente ma può erogare rapidamente correnti molto elevate, fino a 7000 A."

Mentre altre applicazioni utilizzano sistemi di recupero per l'immagazzinamento e il riutilizzo dell'energia di frenata, l'ITA ha deciso di non ricorrere alla frenata rigenerativa. L'energia risparmiata non è in alcun modo proporzionale al rischio per la sicurezza. "La nostra priorità era poter arrestare il sistema in modo sicuro in ogni momento", afferma Overmeyer. Una volta esaurita l'energia in un dato esperimento, il sistema ha 4 minuti per ricaricarsi. Con circa 1 milione di cicli di carica, un SC ha una durata molto più lunga di una batteria normale, che è limitata a poche migliaia di cicli. Gli elementi di accumulo utilizzati sono condensatori a doppio strato o SC, condensatori ad alte prestazioni con grandi capacità. Sebbene immagazzinino meno energia delle moderne batterie al litio, possono rilasciarla molto più rapidamente e più volte. "Le batterie convenzionali sono come gli atleti di resistenza, mentre gli SC sono come gli sprinter con molta potenza di stacco", spiega Sterff.

Ulteriore sviluppo pianificato

I ricercatori della Leibniz University di Hannover sono molto soddisfatti dell'interazione dei componenti di azionamento scelti e della collaborazione interdisciplinare tra i partner del progetto. "Lo sviluppo del sistema continuerà, con nuovi esperimenti da condurre nel prossimo futuro", afferma Overmeyer. In collaborazione con il team di ricerca dell'ITA, INTRASYS creerà profili operativi aggiuntivi per uno spettro di test ancora più ampio per l'Einstein Elevator, al fine di simulare diverse e dettagliate condizioni gravitazionali, atmosferiche e ambientali. "Soprattutto, è necessario implementare dettagli specifici nell'ingegneria di controllo", afferma Lotz. Ciò consentirà alla ricerca di avvicinarsi all'obiettivo di implementare le fasi di produzione o lavorazione necessarie per un'infrastruttura funzionante nello spazio, sulla Luna o su altri pianeti.

Referenze

[1] www.hitec.uni-hannover.de/de/grossgeraete/einstein-elevator
[2] www.elevatorworld.com/einstein-elevator
[3] www.gefran.com/de/de/products/250-adv200-frequenzumrichter-mit-feldorientierter-vektorregelung-fuer-den-schaltschrankeinbau
[4] intrasys-gmbh.com
[5] stercom.de/de
[6] www.lzh.de/de
[7] www.gefran.com/de/de/applications/5-aufzugstechni