L’elica toroidale

Un’elica che sembra una girandola

Dimenticatevi l’elica come l’avete sempre vista, o anche immaginata: Sharrow Propeller è l’elica toroidale con la quale la geometria  stessa è stata reinventata per ottenere più silenziosità ed efficienza.

È un’elica molto strana, un’elica che sembra una girandola perché, proprio come quel giocattolo con il quale giocavamo da bambini, le pale si allontanano dal mozzo per poi ripiegarsi ad anello e ricongiungersi al mozzo stesso.

Per questo è chiamata toroidale, aggettivo che in realtà significa a forma di anello (in geometria il toro indica un cuscino a forma di ciambella). Una girandola, quindi niente di nuovo se non il fatto che questa geometria da tempo viene studiata per le applicazioni sui droni per renderli più silenziosi. Anche dai ricercatori del MIT Lincoln Laboratory (parliamo del prestigioso Massachusetts Institute of Technology).

Perché al MIT si vive già in un futuro di città popolate da oggetti volanti, sia per il trasporto di persone sia per quello di cose, e giustamente si ritiene che la riduzione del rumore sarà un aspetto fondamentale per lo sviluppo di questo mezzo di trasporto. Ma allora, perché non pensare anche alla nautica e alle eliche marine?

In realtà, ci ha pensato un certo Greg Sharrow che, lavorando come produttore esecutivo e regista nel campo della produzione video, da tempo studiava il modo per rendere i droni per le riprese più silenziosi, così da non disturbare – per esempio – il concerto di musica classica che si stava filmando.

Egli sapeva che la fonte principale del rumore di un’elica, in aria così come in acqua, è il cosiddetto tip vortex, in italiano “vortice di estremità”, quel vortice che si crea quando le zone di alta e bassa pressione sulla pala si incontrano al termine della pala stessa, alla sua estremità. Ridurre o eliminare quel vortice, sapeva Greg, significava ridurre significativamente il rumore prodotto da un’elica.

Ma come fare? Greg pensò, allora, a una soluzione radicale un po’ pazza: se si elimina l’estremità stessa della pala automaticamente si elimina anche il vortice di estremità. O perlomeno si riduce significativamente. Semplice a dirsi, ma a farsi? Come realizzare un’elica con le pale senza estremità? Che aspetto avrebbe avuto la pala e come poteva funzionare?

Quest’idea, apparentemente stravagante, pian piano si fece strada nella testa di Greg che iniziò a ragionarci sempre più seriamente e a documentarsi, convincendosi che se la pala senza estremità funzionava per i droni poteva funzionare anche per un’elica marina.

Bastava capirne meglio il funzionamento e trovare la forma più idonea. Iniziò così a lavorare per trovare le partnership e i finanziamenti necessari per iniziare l’indispensabile attività di ricerca che bisognava sostenere per raggiungere risultati concreti. E poi mettere insieme un team di ingegneri, tecnici e anche avvocati, necessari per sviluppare il progetto. Eravamo nel 2010.

Oggi la Sharrow Engineering, società madre di Sharrow Marine che produce e vende le eliche toroidali Sharrow per l’industria marittima, detiene oltre 125 brevetti in tutto il mondo, ha partnership di sviluppo e produzione con alcuni dei più grandi costruttori navali e produttori di eliche del mondo, nonché un prodotto e una metodologia per generare nuovi progetti per eliche toroidali utilizzabili per diversi scopi.

Questo lungo percorso ha portato la Sharrow Marine ad avere un prodotto – l’elica toroidale Sharrow – che, oltre alla riduzione del rumore, consente un minor consumo di carburante e, più in generale, una maggiore efficienza, tanto da inanellare continui riconoscimenti, a partire dal premio per l’innovazione ottenuto al Miami International Boat Show del 2020, anno della sua presentazione, per arrivare alla rivista Time che ha riconosciuto la Sharrow MX Propeller come una delle “Migliori invenzioni del 2023”.

Tutto parte dai droni

Abbiamo prima accennato al vortice di estremità di un’ala, che si crea quando le zone di alta e bassa pressione si incontrano alle sue estremità. Ciò è vero anche per la pala di un’elica che, ricordiamo, è sempre un’ala che, invece di muoversi in un’unica direzione come fa l’ala di un aereo, ha un moto combinato di avanzamento e rotazione.

Questo vortice si crea perché il fluido (aria o acqua che sia) ad alta pressione presente sulla faccia dell’ala, in corrispondenza della sua estremità, viene risucchiato dalla bassa pressione presente sul dorso, l’altra faccia dell’ala corrispondente al lato superiore dell’ala di un aereo.

Si genera così un vortice, il tip vortex, continuamente alimentato per effetto del movimento dell’ala stessa, all’interno del quale le variazioni di pressione sono intense e repentine, generando rumore. Proprio come il rumore provocato dall’intensa e repentina variazione di pressione dovuta all’aria che fuoriesce da un palloncino quando scoppia.

Sono quindi proprio questi vortici di estremità la principale causa del rumore prodotto da un drone, rumore molto maggiore di quello prodotto dai suoi piccoli motori elettrici.

Ebbene, le sperimentazioni condotte al MIT sulle eliche toroidali per i droni hanno dimostrato una spinta e un’affidabilità comparabili ai normali rotori, ma soprattutto un rumore nettamente diminuito, in particolare nei campi di frequenza cui l’udito umano è più sensibile.

Che questo vortice di estremità sia un problema presente su qualsiasi tipo di ala ne abbiamo la prova osservando le ali di molti aerei di linea che terminano con un bizzarro rialzamento all’insù.

Parliamo della cosiddetta winglet, un’aletta sub verticale che ha la funzione di ridurre la resistenza indotta causata proprio dai vortici d’estremità e migliorare l’efficienza aerodinamica dell’ala.

La winglet è generalmente rivolta all’insù per contenere il campo di depressione presente sulla faccia superiore dell’ala, il dorso, che è molto più intenso del campo di pressione presente sulla faccia inferiore.

Ma non mancano aerei che hanno una doppia winglet, una all’insù e una all’ingiù. Addirittura, sempre per ridurre o eliminare il vortice di estremità, ci sono sperimentazioni per aerei con ali ad anello chiuso. Parliamo delle ali Prandtl in cui, come per la nostra elica toroidale, l’ala è priva di estremità.

 

Sharrow Propeller: l’elica toroidale marina

Ora lasciamo stare i droni, le ali e gli aerei, e dall’aria passiamo all’acqua con l’elica toroidale messa a punto da Greg Sharrow.

Sul sito web sharrowmarine.com si legge che la Sharrow Propeller (nome sempre accompagnato dalla specifica ™ che tutela il marchio) rappresenta il primo grande progresso nella tecnologia delle eliche dal 1830, ovvero da quando è stata inventata l’elica marina.

Forse è un’affermazione esagerata, ma di certo possiamo dire che la Sharrow Marine ha di fatto reinventato la geometria dell’elica. Una geometria strana, toroidale appunto, nella quale ogni pala forma un anello chiuso.

Una geometria studiata a fondo dal punto di vista teorico e poi messa a punto per funzionare nell’acqua nelle condizioni propulsive di un’elica di una normale barca con centinaia di test su diversi prototipi condotti in una piccola vasca, comparando i risultati ottenuti con quelli di eliche similari con pale convenzionali.

Alla luce dei risultati positivi di questi test, a partire dal 2013 è stato intrapreso un vasto programma di ricerca e sperimentazione eseguito presso il Marine Hydrodynamics Laboratory, il Laboratorio di Idrodinamica dell’Università del Michigan, al fine di ottenere la conferma da parte di enti terzi dei risultati ottenuti fino ad allora, ma anche per capire meglio le caratteristiche di questa nuova tipologia di elica e il suo funzionamento.

Con questi dati, Sharrow Marine ha potuto convalidare i suoi algoritmi di simulazione CFD (la computational fluid dynamics, ovvero la tecnica che utilizza l’analisi numerica per risolvere e analizzare i problemi di fluidodinamica mediante l’utilizzo del computer), sviluppando un metodo proprietario per la creazione di nuove geometrie per un’ampia gamma di applicazioni, dai rimorchiatori alle petroliere, dalle imbarcazioni da diporto agli aerei e ai droni.

In particolare, sono stati eseguiti dei confronti con le eliche della serie B di Wageningen (una vasta famiglia di eliche studiata presso la vasca navale del MARIN di Wageningen, appunto) che hanno mostrato come l’elica Sharrow sia fino al 30% più efficiente.

Ma anche dell’80% più silenziosa, il che apre l’altro capitolo, altrettanto importante, della riduzione del rumore sottomarino e della salvaguardia della fauna marina. A questo proposito, Sharrow ha dichiarato che la sua elica, grazie all’eliminazione o significativa riduzione dei vortici di estremità, è più silenziosa di circa 20 decibel.

Tutti questi studi e sperimentazioni condotti nell’arco di una decina di anni hanno portato a mettere a punto un paio di modelli di elica per grossi motori fuoribordo o entrofuoribordo. Per capirci, dai 150 ai 450 HP, almeno per ora.

Con queste eliche la barca è più veloce, manovra meglio, consuma di meno. E, ovviamente, è più silenziosa. Almeno questo è ciò che affermano alla Sharrow Marine. Sarà vero? Pare di sì, perché, oltre a ciò che afferma l’azienda produttrice, ci sono numerosissime testimonianze di armatori che confermano tutti questi vantaggi. Ma non solo.

Analoghe testimonianze arrivano anche dal famoso e autorevole network indipendente americano BoatTest.com che, specializzato nel condurre test molto approfonditi e documentati su nuove barche e nuovi dispositivi, ha sottoposto le eliche Sharrow a una moltitudine di prove abbinandole a diversi motori e diverse barche. Ne abbiamo analizzata qualcuna.

I test in acqua

Con un report di una quarantina di pagine reperibile in rete, BoatTest.com ha documentato le prove condotte su un catamarano di 17 metri motorizzato con due fuoribordo OXE Diesel da 300 HP e su un catamarano di 10 metri con due fuoribordo Yamaha sempre da 300 HP.

Entrambi sono stati provati prima con l’elica standard e successivamente con l’elica Sharrow.

Durante i test, ripetuti nelle stesse condizioni di carico e assetto numerose volte per ridurre i margini di errore e incertezza, sono stati misurati con strumentazione certificata la velocità e il numero dei giri motore, i consumi, le accelerazioni, gli angoli di assetto dinamici.

Senza entrare troppo nel dettaglio (pubblichiamo giusto un paio di grafici di confronto), i risultati mostrano in modo chiaro la maggiore efficienza dell’elica Sharrow nelle condizioni di funzionamento più importanti. In particolare, le prove effettuate sul catamarano da 17 metri – che ha una velocità massima intorno ai 30 nodi – hanno mostrato una migliore efficienza del 30% nell’intorno della velocità di crociera di 18 nodi, cui corrisponde un minor consumo del 46%!

Risultati che non sono frutto del caso ma dell’ottimizzazione del funzionamento dell’elica Sharrow – costruita appositamente – proprio ai 18 nodi comunicati dall’armatore, ciò che ha consentito un aumento dell’avanzo dell’elica compreso tra il 20 e il 30% a partire dai 12-13 nodi.

Per inciso, l’avanzo è distanza effettivamente percorsa dall’elica durante una rotazione. In un fluido, questa distanza è inferiore a quella che l’elica percorrerebbe se avanzasse in un solido, come la vite nella sua madrevite, caso in cui si parla di passo geometrico. La differenza tra il passo geometrico e l’avanzamento è detta regresso dell’elica.

Riassumendo, da queste prove è emerso che con l’elica Sharrow la barca era più veloce a tutti i regimi, planava con meno giri, aveva più spinta in retromarcia, afferrava meglio l’acqua in virata e aveva consumi inferiori a quasi tutte le velocità, in particolare ai regimi medi.

Risultati simili sono emersi anche dalle prove condotte con il catamarano da 10 metri, una barca più veloce della precedente, con i suoi oltre 40 nodi di velocità massima, che con le eliche Sharrow, a parità di giri motore, è risultata sempre più veloce. Inoltre, sono state rilevate accelerazioni maggiori, una planata con meno giri, una migliore manovrabilità alle basse velocità, minori vibrazioni e una maggiore presa delle eliche nelle virate strette.

 

Conclusioni

A fronte di quello che abbiamo raccontato, sorge spontanea una domanda: perché non corriamo tutti, subito, a comprare una elica toroidale per il nostro fuoribordo? Ovviamente per il costo!

Almeno allo stato attuale, le eliche toroidali, che come detto sono disponibili solo per i motori da 150 a 450 HP, hanno un costo unitario che si aggira sui 5.000 dollari: più o meno quanto costa un buon motore da 20 HP!

Per valutare bene la convenienza di un acquisto del genere occorre quindi sedersi a tavolino e considerare le condizioni medie di utilizzo della propria imbarcazione.

Se navigate 100 ore per stagione e usate la barca per raggiungere gli amici e fare il bagno insieme in un’altra località della costa, ebbene con l’elica toroidale la vostra vita non cambierà.

Se invece trasportate persone o cose da un porto a un altro e il tempo gioca per voi un ruolo importante, bene, allora fateci su un pensierino perché potrebbe mettervi in condizioni molto migliori, per velocità, confort e, soprattutto, consumi: un possibile risparmio del 20% non è poca cosa.

In prospettiva, però, è ragionevole supporre che il costo dell’elica toroidale scenderà con il crescere della produzione, anche se non potrà mai essere quello di un’elica standard se non altro perché la sua geometria è più complessa da riprodurre e, conseguentemente, il suo costo di produzione sarà maggiore.

A questo riguardo Greg Sharrow ha riferito che, attualmente, negli stabilimenti di Detroit, vengono prodotte mensilmente fino a 1300 eliche e che la società per mesi ha avuto ordini arretrati da recuperare per una fornitura a Yamaha.

In prospettiva il piano è quello di potenziare la produzione per arrivare a costruire centinaia di migliaia di eliche ogni anno. Anche con partnership con altre aziende produttrici di eliche, come quella recentemente siglata con l’australiana VEEM, con la quale è in programma lo sviluppo, la produzione e la commercializzazione di queste eliche speciali fino a cinque metri di diametro per propulsioni in linea d’asse, destinate a superyacht e navi commerciali.

“Da molti anni stiamo studiando e progettando attivamente eliche fino a 10 metri di diametro e lavoriamo in collaborazione con società di trasporto di container per applicare la nostra tecnologia alle navi portacontainer“, ha affermato Sharrow.

Se poi pensiamo che, nel mondo, la movimentazione delle merci avviene per circa il 90% via mare e che il trasporto marittimo rappresenta il 2,9% delle emissioni globali di gas serra, è evidente che poter beneficiare dei vantaggi dell’elica toroidale darebbe un grosso aiuto a rendere maggiormente sostenibile il trasporto marittimo.

Non solo. Come detto, l’adozione dell’elica toroidale nel trasporto marittimo ridurrebbe drasticamente anche il rumore subacqueo che proviene dalle eliche delle navi, uno dei grandi problemi ambientali finora spesso sottovalutati ma di grande importanza per la salvaguardia della fauna marina e, con essa, di tutto l’ecosistema marino.