Un motore che non utilizza né la combustione interna né l’energia elettrica

Nelle moderne autovetture, di solito è il motore a combustione, il motore elettrico o una combinazione di entrambi a essere responsabile della generazione dell’energia cinetica necessaria per la guida. Tuttavia, esiste un altro tipo di fonte di energia che è molto più efficiente di qualsiasi motore a combustione interna.

In questo articolo, ti mostreremo perché il motore Stirling supera tutti i suoi concorrenti e perché sta perdendo terreno nei mercati, come l’industria automobilistica.

Una prospettiva storica del Motore Stirling

La storia del motore Stirling è almeno tanto quanto il motore stesso.

La prima citazione risale al 1699 ed è attribuita all’ingegnere francese Guillaume Amontons. La macchina qui presentata è azionata pneumaticamente, coincidendo (e probabilmente non a caso) con lo sviluppo della ricerca sulle proprietà dei gas dell’epoca.

Tuttavia, la possibilità di applicazione pratica, dipendeva dalla tecnologia di produzione, che all’epoca era insufficiente per realizzare un motore Stirling.

Sebbene il motore prenda il nome da Robert Stirling, il primo motore Stirling ad aria funzionante fu effettivamente costruito nel 1807 da Sir George Caley.

Robert Stirling aveva solo 17 anni all’epoca e stava per diventare un pastore, sebbene tutta la sua famiglia fosse nel settore dell’ingegneria. Studiò teologia all’Università di Edimburgo, laureandosi nel 1809. Nonostante la sua vocazione sacerdotale, Stirling era interessato alle innovazioni tecniche, svolgendo regolarmente lavori di ingegneria e frequentando corsi tecnici.

Nel 1816 ottenne un brevetto per un motore da lui sviluppato. Anche se Caley aveva ottenuto la stessa cosa 9 anni prima, i loro motori funzionavano in modo molto diverso in termini di flusso d’aria, quindi non erano considerati identici.

Nello stesso anno Stirling registrò un altro brevetto per un dispositivo correlato denominato “Economizzatore”, la cui funzione essenziale era quella di migliorare l’efficienza del motore. Tecnicamente, l'”Economizzatore” può essere considerato il precursore dello scambiatore di calore rigenerativo.

Robert Stirling proseguì poi la sua collaborazione con il fratello James, ingegnere di professione, che portò nel 1827 a brevettare un altro motore, il cui miglioramento progettuale più importante fu la pompa ad aria compressa, che permise di aumentare sensibilmente la pressione all’interno del sistema .

L’obiettivo era chiaro: sconfiggere i motori a vapore. Diverse società di motori aerei furono fondate negli anni ’30 dell’Ottocento, ma l’invenzione di Stirling si distinse tra le tante, anche per il già citato “economizzatore”.

Con diversi miglioramenti dell’efficienza, negli anni Quaranta dell’Ottocento fu possibile sostituire i motori a vapore in alcune applicazioni. Sebbene i motori a vapore fossero molto più avanzati e più grandi, la loro efficienza (10%) era inferiore a quella del motore Stirling. A metà del secolo raggiunsero la potenza di 45-50 cavalli.

Descrizione generale e costruzione

I motori pneumatici non solo fornivano maggiore efficienza, ma garantivano anche una maggiore sicurezza sul lavoro.

Le macchine a vapore, a causa dell’elevata pressione di esercizio e dei possibili difetti di fabbricazione, assemblaggio o materiale, spesso causavano esplosioni, che erano fatali con una certa frequenza.

Mentre le macchine Ott e Diesel sono motori a combustione interna, l’invenzione di Stirling rappresenta un motore a combustione esterna.

In questo dispositivo è presente un gas di una certa massa, come l’idrogeno, l’elio o l’aria, isolato.

A questo punto, dovremmo soffermarci un attimo sulle leggi di lavoro del gas, perché dettano i parametri del gas (pressione, volume, temperatura) nel motore Stirling. Come risultato del riscaldamento, la pressione del gas aumenta. Di conseguenza, quando viene raggiunta la pressione appropriata, inizia ad espandersi, mettendo in movimento il pistone e svolgendo così un lavoro meccanico.

Alla fine del ciclo di lavoro, il gas si raffredda, la sua pressione scende, quindi sarà necessario meno lavoro per ricomprimerlo, portando ad un bilancio energetico positivo. Il flusso di gas tra gli scambiatori di calore per il riscaldamento e il raffreddamento si ripete ciclicamente.

Poiché il gas utilizzato per il lavoro non esce dal motore, non sono necessarie valvole, quindi controllare il motore – e l’intera struttura – è molto più semplice.

Processo circolare, caratteristiche

In teoria, il ciclo di Carnot ha la migliore efficienza, ma il ciclo di Stirling non è molto indietro. Consiste nei seguenti processi:

– Riscaldamento (1)

– Espansione isotermica (2)

– Raffreddamento (3)

– Compressione isotermica (4)

Il motore Stirling ha una caratteristica progettuale che poche macchine possiedono: il ciclo può essere invertito, quindi può fungere da raffreddatore se azionato da una forza esterna. Philips ha riconosciuto questo indubbio vantaggio e negli anni ’50 lo ha utilizzato per produrre azoto liquido.

Inoltre, la materia prima combusta non entra in contatto con il gas di lavoro, consentendo così l’utilizzo di quindi quasi tutti i combustibili per alimentare il motore. La combustione è molto più controllata, quindi anche i gas di scarico sono molto più puliti.

Nella maggior parte dei motori Stirling, il cuscinetto può essere posizionato anche sul lato freddo, il che facilita la lubrificazione e prolunga l’intervallo di manutenzione.

La pressione di esercizio è bassa rispetto al motore a combustione interna, quindi anche il carico sui componenti strutturali è inferiore, rendendo l’intero motore più leggero. Poiché la combustione non è pulsata e ciclica, ma continua, il design è estremamente silenzioso e produce poche vibrazioni.

Poiché il gas di lavoro è sigillato, non è necessaria l’aria ambiente, quindi questo motore è ideale per l’uso nei sottomarini.

Perché non lo usiamo nelle auto?

Nonostante molti vantaggi, il motore Stirling presenta anche alcuni svantaggi che attualmente nessuno può risolvere.

Gli scambiatori di calore sul lato freddo e caldo sono molto costosi e, a meno che non vi sia una grande differenza di temperatura tra loro, devono essere piuttosto grandi. Pertanto, il motore stesso è piccolo, ma con l’aggiunta di scambiatori di calore assume dimensioni molto maggiori di un motore a combustione interna.

Un altro problema è che il motore Stirling non può essere avviato rapidamente, solo con un riscaldamento lento.

Anche la flessibilità è un problema. La potenza erogata può essere modificata solo dopo molto tempo, una reazione immediata è praticamente impossibile.

L’ostacolo, forse il più grande, è la perdita di calore generata quando l’ambiente è riscaldato, che impedisce completamente l’uso effettivo di un motore Stirling in un’auto.

Tuttavia, questo motore viene utilizzato in aree in cui questi svantaggi sono meno importanti (impianti industriali, motori di macchine stazionarie, altri compiti che richiedono prestazioni costanti).