In auto a 80 km/h spinti solo dall’energia solare

01/01/1970

Il team Blue Sky Solar Racing dell’Università di Toronto doveva progettare e costruire in soli due anni un veicolo a energia solare per partecipare all’edizione 2013 della World Solar Challenge in Australia. Il gruppo di studenti ha adottato la Piattaforma 3DEXPERIENCE di Dassault Systèmes, che ha consentito di migliorare il flusso di lavoro, riducendo drasticamente i tempi di sviluppo e produzione in una finestra strettissima di tredici mesi. La suite di strumenti basati su server ha migliorato la collaborazione, l’integrazione dei principali sistemi del veicolo, la visualizzazione e i test virtuali delle diverse idee progettuali.

Attraversare l’Australia è sempre stata una sfida. La parte interna è vastissima, ostile e prevalentemente disabitata. Ci vollero sei spedizioni e oltre tre anni prima che un esploratore riuscisse ad aprire una strada attraverso il continente nel 1861.
Oggi, lungo quella stessa strada corrono veicoli fantascientifici progettati e costruiti da gruppi di studenti e alimentati esclusivamente a energia solare. Nel loro viaggio di moderni pionieri, dall’idea iniziale alla linea del traguardo, i ragazzi sono chiamati ad affrontare molte dure prove.
La World Solar Challenge (WSC) è un evento unico che si svolge ogni due anni dal 1987. La gara parte da Darwin, sulla costa settentrionale, e termina dopo 3.021 chilometri sulla costa sud ad Adelaide, tagliando praticamente a metà la gigantesca isola. Il percorso coincide per gran parte con la Stuart Highway, la strada intitolata al primo esploratore e conosciuta da tutti gli australiani semplicemente come “The Track”.
I veicoli a energia solare che partecipano alla corsa sono mezzi avveniristici dalle forme strane, molto aerodinamiche: “probabilmente le auto elettriche più efficienti” del mondo, come recita il sito web della manifestazione. Completamente ricoperte da uno strato di fotocellule da astronave spaziale che trasformano i fotoni in elettricità, queste auto raggiungono velocità medie di 80-90 chilometri orari. A quella velocità, le auto percorrono il tracciato in 30-40 ore circa, viaggiando solo nelle ore di luce (dalle 8 alle 17).
Il successo in questa gara davvero notevole dipende dal rapporto fra potenza e resistenza aerodinamica. Per ottenere un rapporto ottimale, i team devono trovare la giusta combinazione fra profilo aerodinamico, compositi leggeri, sistemi fotovoltaici, dinamica del veicolo e altro. Un esercizio di ingegneria tutt’altro che semplice.
Indipendentemente dal vincitore, questa è per tutti l’avventura della vita. La WSC può essere considerata il principale circuito di collaudo per le tecnologie delle auto solari del futuro.

La nascita del team
Nell’estate del 2011, 50 studenti del team Blue Sky dell’Università di Toronto hanno cominciato a lavorare all’auto solare di settima generazione (“B-7”) iscrivendosi all’edizione 2013 della WSC nella categoria Challenger. Già nel 2007 un loro veicolo si era piazzato al quinto posto nella categoria Adventure. Gli studenti hanno diversi tipi di formazione e competenze: si va dal primo anno fino ai laureandi, coprendo praticamente tutte le discipline, dall’ingegneria elettrica, meccanica e civile alla chimica, dai minerali al biomedicale.
“Non rifiutiamo nessuno che bussi alla nostra porta,” dice Ahthavan Sureshkumar, capo ingegnere del team di cui fa parte da dieci anni. “Cerchiamo persone che abbiano voglia di impegnarsi per raggiungere l’obiettivo… e il tempo che devono dedicare è moltissimo.”
Secondo Paul Park, direttore generale del team con sei anni di esperienza, “nessuno ha le idee molto chiare quando arriva. Ma alla fine tutti se ne vanno con competenze tecniche solidissime. Fondamentalmente è qui che si fanno le ossa in ingegneria.”
Quando è cominciato il progetto B-7, il gruppo aveva circa due anni di tempo prima che scattasse il semaforo verde della gara nell’ottobre 2013. In un primo momento l’attenzione è stata concentrata su aspetti di ricerca e progettazione teorica, perché i regolamenti della manifestazione sarebbero stati pubblicati molto più avanti. Agli studenti restava così poco più di un anno per progettare e costruire l’auto, con cicli di progettazione e costruzione che normalmente durano quattro anni.

Requisiti da soddisfare
Le specifiche per la categoria Challenger riguardavano diversi aspetti: gli array fotovoltaici (con un limite massimo di sei metri quadrati), le batterie (ioni di litio in grado di fornire non oltre il 10 percento dell’energia totale) e altro ancora. Sono stati poi aggiunti due nuovi vincoli alla progettazione.
Per la prima volta erano obbligatorie quattro ruote e, inoltre, sono state previste norme molto restrittive sul campo di visione del conducente e sulla seduta verticale.
“Queste nuove regole hanno generato notevoli difficoltà, soprattutto per l’aerodinamica e l’abitacolo,” dice Tiffany Hu, Chief Advancement Officer di Blue Sky. “Negli ultimi anni la World Solar Challenge si è orientata verso progetti più pratici e realistici, una sfida molto stimolante.”
Per soddisfare i requisiti dell’edizione 2013, gli studenti si sono divisi in piccoli gruppi di lavoro: aerodinamica, telaio, rollbar, sospensioni, impianto elettrico e array solari. Il coordinamento del team e la velocità di interazione erano aspetti fondamentali. Dovevano inoltre essere risolte alcune inefficienze già esistenti, come l’impossibilità di testare virtualmente il progetto prima della costruzione e l’esigenza di scambiare e validare file fra due CAD differenti.

Collaborazione e integrazione
Aventec, il principale fornitore canadese di tecnologie e servizi in ambito PLM, con sede a Markham, in Ontario, ha consigliato al team Blue Sky di adottare la Piattaforma 3DEXPERIENCE for Academia di Dassault Systèmes, con CATIA per la progettazione virtuale, DELMIA per la fabbricazione digitale e SIMULIA per la simulazione realistica, per collaborare in maniera efficiente e visualizzare in anteprima le prestazioni del progetto. Partner di Dassault Systèmes dal 2001, Aventec ha un team esperto e competente che fornisce alle aziende servizi di implementazione, formazione e assistenza per contribuire al raggiungimento dei loro obiettivi di business. “Quando abbiamo incontrato Aventec, ci hanno mostrato una serie di funzionalità e video di CATIA,” racconta Park. “Siamo rimasti stupiti per come il software ci avrebbe potuto aiutare in tutti gli aspetti della progettazione.”
“Le funzionalità di collaborazione su server di CATIA hanno subito attirato la nostra attenzione,” conferma Sureshkumar. “Ci ha colpito anche il modo in cui il software modellava la dinamica del veicolo e la flessibilità che deriva dall’utilizzo di diversi spazi di lavoro, i workbench.” Aventec si è occupata anche della formazione su CATIA di una dozzina di membri dei gruppi di lavoro di Blue Sky per la parte meccanica e aerodinamica.
Con gli strumenti di modellazione 3DEXPERIENCE, il team ha potuto lavorare con un’unica interfaccia (per la parte meccanica, elettrica e aerodinamica), dal concetto iniziale fino alla produzione. Per usare le parole di Sureshkumar, “grazie al software abbiamo potuto trovare i punti di equilibrio necessari già nelle fasi iniziali del progetto e individuare la soluzione migliore per produrre gli stampi per la fabbricazione dei compositi.”
La Piattaforma 3DEXPERIENCE è stata determinante anche quando il team ha dovuto affrontare diversi problemi di progettazione critici, soprattutto relativamente al pilota. “Con il manichino virtuale dello strumento Human Builder di DELMIA siamo riusciti ad analizzare l’ergonomia e il comfort per il guidatore in un abitacolo molto stretto,” dice Sureshkumar. “Il software ha persino evidenziato un errore nei nostri calcoli per il campo di visione del pilota, consentendoci di intervenire tempestivamente.”

Il software ha contribuito a migliorare il flusso di lavoro del team, come sperava Park: “Durante le riunioni proiettavamo i file di CATIA sullo schermo per verificare anche i minimi dettagli, modificare il progetto e controllare in tempo reale che tutto fosse a posto.”

Finestre virtuali sulle prestazioni
Con l’avanzamento del progetto, il team ha poi utilizzato il software Abaqus di SIMULIA per l’analisi a elementi finiti, che si interfaccia direttamente con CATIA consentendo una verifica accurata della solidità del progetto.In precedenza gli studenti si potevano basare solo su calcoli rudimentali per analizzare le prestazioni del modello in condizioni reali.
“Prima ci affidavamo molto all’intuito e a calcoli approssimativi per definire il numero di strati di fibra di carbonio necessari,” racconta Sureshkumar. “Con SIMULIA abbiamo potuto analizzare carichi e sollecitazioni in modo da ottimizzare il peso dell’involucro e del telaio senza comprometterne la resistenza.”
Grazie a questi calcoli il team ha migliorato la rigidità del veicolo, assicurando al tempo stesso la massima leggerezza. SIMULIA ha inoltre evidenziato alcuni dettagli che normalmente sarebbero passati inosservati. L’analisi FEA, ad esempio, ha mostrato che alcune paratie erano soggette a un’instabilità a carico di punta superiore al previsto, consentendo ai progettisti di Blue Sky di modificare il progetto rinforzando queste aree critiche.

Un nuovo giorno per i veicoli a energia solare
Al sorgere del sole sulla linea di partenza di Darwin, tutte le scelte progettuali erano state fatte, la posa dei compositi completata, le decalcomanie applicate e le prove su strada effettuate. Dopo lunghe notti insonni, la B-7 era pronta per il via, con la sua livrea fiammante illuminata dai raggi del sole. Un momento di grande orgoglio, un risultato notevole per un gruppo di studenti volontari, 19 dei quali sono stati selezionati per andare in Australia al seguito dell’auto.
L’andamento della corsa non dipendeva infatti solo dal cielo terso. “C’è molta strategia,” spiega Park. “La tattica di gara dipende non solo dal meteo, ma anche dalle condizioni della strada, da altre auto che possono rallentare la tua corsa, persino dalla presenza occasionale di canguri lungo il tracciato. Noi andiamo alla massima velocità possibile, ma prendiamo ogni precauzione per evitare che due anni di lavoro vengano vanificati nel bel mezzo dell’Outback.”
Oltre la metà dei veicoli nella categoria Challenger ha subito guasti durante la gara, mentre l’auto del tema Blue Sky si è comportata molto bene, secondo Sureshkumar. “L’auto era robusta,” conferma Park. “Ogni componente è stato progettato per resistere alle condizioni avverse. Abbiamo realizzato una sospensione in materiale pieno, perfettamente allineata, che non poteva assolutamente cedere. Il mio cuore ha battuto forte per tutta la corsa. Ho assaporato ogni minuto della gara.”
La B-7 ha concluso la gara in 45 ore e 38 minuti a una velocità media di 65,7 chilometri orari, piazzandosi in ottava posizione (seconda fra i concorrenti nordamericani), centrando l’obiettivo di entrare nei primi dieci.
“La gara è stata il culmine di un incredibile viaggio tecnologico di due anni,” dice Sureshkumar. “È stata la prima auto per la quale abbiamo utilizzato diversi strumenti della Piattaforma 3DEXPERIENCE di Dassault Systèmes, che ha favorito la collaborazione e migliorato notevolmente il flusso di lavoro. Abbiamo utilizzato il software con grande efficacia.”
“La suite di strumenti ci ha aiutato moltissimo,” conclude Park. “Con CATIA abbiamo potuto gestire in maniera integrata tutti gli impianti del veicolo e avere la flessibilità necessaria per disegnare un aerobody molto sofisticato. SIMULIA ha evidenziato potenziali rischi nelle primissime fasi del processo e ci ha aiutato a evitare il sovradimensionamento del progetto.”
La gara fra gli studenti, con 40 team da 22 nazioni, è stata osservata da numerosi imprenditori interessati agli ultimi progressi nel campo del trasporto sostenibile. Le auto a energia solare devono ancora farsi strada nel mercato automobilistico, ma l’impegno e la visione di team come Blue Sky contribuiranno a cambiare presto questa situazione.