La ricarica veloce che un giorno consentirà di ripristinare l'autonomia dei veicoli elettrici in 5 minuti è di derivazione spaziale: si deve a un gruppo di ricerca della Purdue University, sponsorizzato dalla divisione Scienze biologiche e fisiche della Nasa.
Il sistema ha concettualmente già dimostrato di poter funzionare ed è oggetto di sperimentazione sulla Stazione Spaziale Internazionale: il tema della ricarica di veicoli elettrici ovviamente non è solo una questione terrestre, ma anche una criticità che riguarda le future missioni sulla Luna e su Marte.
La fisica e la quotidianità confermano che l'aumento delle prestazioni si accompagna a un aumento delle temperature e di conseguenza tutto l'impianto richiede un sovradimensionamento: lo stesso cavo di ricarica ha bisogno di conduttori di grandi dimensioni. L'obiettivo è ridurre le temperature di esercizio senza gravi effetti collaterali sulla dimensione degli impianti o il peso della componente hardware.
Come funziona il sistema
Il gruppo guidato dal professor Issam Mudawar del dipartimento Mechanical engineering di Purdue ha iniziato a lavorare a un concetto di cavo evoluto nel 2017, in collaborazione con Ford. La prima versione è stata presentata nel 2021, poi è stata realizzata la piattaforma per il Flow Boiling and Condensation Experiment (in sigla. Fbce) per la gestione del trasferimento di calore in ambiente di microgravità. In pratica una declinazione del progetto per l'ISS: un modulo di ebollizione che "include generatori di calore montati lungo le pareti di un canale in cui il refrigerante viene fornito allo stato liquido".
Con il riscaldamento progressivo dei dispositivi, la temperatura nel canale aumenta e il liquido adiacente alle pareti inizia a bollire; le bollicine generate consentono di trasferire velocemente il calore "sfruttando sia la temperatura più bassa del liquido sia il conseguente cambiamento di fase da liquido a vapore". I migliori risultati si ottengono quando il liquido è "in uno stato sottoraffreddato (ben al di sotto del punto di ebollizione, ndr)". Il concetto fa riferimento proprio alla cosiddetta ebollizione a flusso sottoraffreddato.
L'Fbce è stato consegnato all'ISS ad agosto 2021 e i primi dati sono emersi a partire da inizio 2022: la sperimentazione proseguirà, ma nel frattempo a Terra c'è la convinzione che sia possibile una migrazione della tecnologia in ambito industriale, appunto nell'automotive elettrico.
L’applicazione in ambito automotive
L'attuale ricarica elettrica delle automobili, oltre al tema del numero di colonnine, è condizionata da almeno due fattori chiave: la capacità delle batterie montate sui mezzi misurata in kilowatt/ora e la potenza di ricarica delle stazioni misurata in kilowatt. Dividendo la prima per la seconda si ottiene un dato teorico verosimile sui tempi. E così si scopre che per la ricarica di una Nissan Leaf a una classica colonnina servono circa 5 ore, mentre a casa (nella peggiore delle ipotesi) si può arrivare anche a 17 ore, a seconda dei sistemi e delle potenze in gioco.
Uno dei nodi dei sistemi di ricarica riguarda il cavo che collega la stazione al veicolo: le versioni impiegate per la ricarica rapida sono da 350 ampere e implicano l'uso di conduttori di grandi dimensioni. Sono scomodissimi, insomma. Per raggiungere la desiderata soglia di 5 minuti (cui in realtà aspira tutta l'industria) bisognerebbe arrivare a 1400 ampere (775 kW), ma la Nasa ha ricordato che “i caricabatterie più evoluti forniscono solo fino a 520 ampere di corrente e la maggior parte dei caricabatterie disponibili per i consumatori supporta sino a 150 ampere".
Quindi la soluzione potrebbe essere quella di affidarsi a un liquido di raffreddamento non conduttivo, pompato attraverso il cavo di ricarica. Questo sistema di dissipazione del calore consentirebbe di fornire 4,6 volte la corrente degli attuali caricabatterie ad alte prestazioni (da 520 ampere) presenti sul mercato, rimuovendo fino a 24,22 kilowatt di calore: “Il cavo di ricarica di Purdue può fornire 2400 ampere, ben oltre i 1400 necessari per ridurre il tempo necessario per caricare un'auto elettrica a 5 minuti”, ha fatto notare la Nasa.
Da sottolineare che questa tecnologia rappresenta solo il primo passo verso una ricarica iperveloce, poiché a un cavo di nuova generazione bisognerebbe affiancare anche una batteria e un alimentatore di potenze adeguate: “Gli esperimenti e i risultati della Nasa con Fbce hanno ispirato alcuni aspetti dei nostri esperimenti di raffreddamento del cavo elettrico, in particolare contribuendo al nostro know-how tecnico su questa fisica - ha confermato Mudawar a The Register - Attualmente stiamo lavorando con diversi produttori di componenti per automobili per migliorare e implementare ulteriormente questa tecnologia".