Le ultra micro turbine a gas... piccoli gioielli da pochi Watt...

Per "micro turbine a gas" si intendono in genere gli impianti per la produzione di energia elettrica basati su turbina a gas capaci di erogare una potenza all’albero inferiore ai 200 kW ma superiore ai 20-30 kW.
In realtà in alcuni ambiti vengono considerate micro-turbine a gas quegli impianti particolarissimi capaci di generare potenza elettrica dell’ordine del Watt o dell’ ordine delle poche centinaia di Watt.
Tali macchine, in gran parte sviluppate al momento solo in fase di progetto, sono definite ultra-micro turbine a gas per differenziarle da quelle di taglia "industriale". E' interessante effettuare una panoramica su tali innovative micro macchine e sull’impiego che è possibile fare di queste.
In prima linea nella progettazione di prototipi di tal tipo è il M.I.T. Da oramai diversi anni ( le prime pubblicazioni in merito risalgono al 2000) viene studiata e progettata una macchina realizzata interamente in materiale basato sul silicio, secondo un sistema a strati in cui ciascun strato sovrapposto costituisce un micro componente dell’impianto, come visibile dalle immagini*. Il prototipo ha dimensioni ridottissime ( 2,1 cm di diametro) e l’albero ha una velocità nominale dell’ordine del milione di giri al minuto. Lo schema d'impianto, così come la fotografia dell'impianto nel suo complesso, ben dimostrano di cosa si stia parlando: non ci si discosta molto dalla realtà se si immagina che tale macchina sia un chip che produce energia elettrica.
In effetti si tratta di una tecnologia sviluppata quasi interamente in silicone o composti di silicio e può essere vista come una serie di wafer sovrapposti, laddove compressore e turbina hanno uno sviluppo completamente bidimensionale. Per far funzionare questo micro impianto servono 16 g/h di combustibile per ottenere una potenza intorno ai 4-10 W. Le temperature in gioco sono molto elevate, di molto superiori a quelle accettabili dalle "normali" micro turbine a gas di taglia industriale: infatti la temperatura di ingresso in turbina è di circa 1600 K. Il M.I.T. lavora a questo progetto da anni ed oramai, rispetto al progetto originario completamente in Si, in studi recenti l'interesse è andato catalizzandosi verso una macchina costituita in parte da Si e in parte da SiC, il che pare renderne più lunga la vita più durevole. E' previsto che si possa fare un utilizzo di tale micromacchina anche in serie, laddove serva una potenza impegnata superiore a quella di un singolo chip.
Esistono ultra micro turbine a gas meno esasperate per quanto riguarda la velocità di rotazione ed aventi una struttura similare a quelle di taglia più consona, come diverse macchine di taglia variabile fra i 40 e i 100 W progettate in Giappone. Trattandosi di materiali quasi-convenzionali e del classico schema impiantistico, i parametri termodinamici caratterizzanti la macchina tornano ad avere valori quasi canonici: la temperatura d'ingresso in turbina nel caso dell' impianto da 100 W è di circa 1300 K, il rapporto di compressione è vicino a 3, la portata d'aria è di circa 2 g/s mentre la velocità di rotazione si aggira intorno ai 600.000 giri/min. Dalla fotografia, nella quale sono riportati un compressore ed un albero di rotazione di un micro impianto, appare evidente che tali
Quel che è davvero interessante riportare, consiste nell' utilizzo che, a detta degli scienziati, si può fare di queste micro macchine. Queste "UMGT" hanno senso laddove vi siano apparecchi che consumino un gran numero di batterie di piccola potenza, in condizioni di utilizzo tali da non permetterne la sostituzione immediata o la ricarica. L' utilizzo per fini militari è quello più evidente, anche se i risvolti nel mondo civile possono essere notevoli. Le applicazioni di tali impianti sono molteplici, divise fra usi civili e militari. Tali macchine sono state evolute per due scopi principali, ovvero la generazione di energia per ricaricare batterie in condizioni estreme, quali missioni militari in zone desertiche oppure come fornitori di energia per piccoli sistemi robotizzati quali piccoli aerei spia delle dimensioni di un insetto o un piccolo uccello. In ultimo non si esclude l’utilizzo per alimentare piccoli robot che possano avere utilizzo non tanto militare ma ludico.

Note:
E' possibile copiare in tutto o in parte questo breve compendio sulle UMGT purchè si citi l'autore e la fonte.
Questo intervento è desunto in buona parte da un paragrafo della tesi di dottorato dell'autore, datata 2007 e prende spunto da una "lecture serie" sulle micro turbine a gas tenutasi nel 2005 al Von Karman Institute, Belgio.