Diciassettenne ha progettato un motore che potrebbe rivoluzionare l’industria delle auto elettriche

Il diciassettenne Robert Sansone è un ingegnere nato, ha stimato di aver completato nel suo tempo libero 60 progetti di ingegneria: dalle mani animatroniche, agli stivali da corsa ad alta velocità, compreso un go-kart che può raggiungere una velocità di oltre 70 chilometri l’ora.
Il giovane inventore un paio di anni fa, si è imbattuto in un video sui vantaggi e gli svantaggi delle auto elettriche. Il video spiegava che la maggior parte dei motori delle auto elettriche richiede magneti composti da elementi di terre rare, la cui estrazione può essere costosa, sia dal punto di vista finanziario sia ambientale. I materiali di terre rare necessari possono costare centinaia di dollari il chilogrammo. Il rame in confronto vale 7,83 dollari il chilogrammo.
Robert Sansone ha detto: «Ho un interesse naturale per i motori elettrici, li ho utilizzati in diversi progetti di robotica».
Il giovane liceale aveva sentito parlare di un motore elettrico, tipo  motore sincrono a riluttanza che non utilizza i materiali delle terre rare, questo tipo di motore è attualmente utilizzato per pompe e ventilatori, ma non è abbastanza potente da essere utilizzato in un veicolo elettrico.
Robert Sansone nel corso di un anno ha creato un prototipo di un nuovo motore sincrono a riluttanza, rispetto a quelli esistenti ha una maggiore forza di rotazione (o coppia) e una maggiore efficienza. Il prototipo è stato realizzato con plastica stampata in 3-D, fili di rame e un rotore in acciaio. È stato testato utilizzando una serie di misuratori per rilevare la potenza e un tachimetro laser per determinare la velocità di rotazione del motore. Il suo lavoro gli è valso il primo premio e una vincita di 75.000 dollari alla Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) di quest’anno, la più grande competizione internazionale di STEM per le scuole superiori.
Heath Hofmann, professore di ingegneria elettrica e informatica all’Università della Michigan, ha lavorato a lungo sui veicoli elettrici, collaborando anche con Tesla per sviluppare gli algoritmi di controllo della sua propulsione, ha detto:
«I motori a magneti permanenti, meno sostenibili, utilizzano materiali come il neodimio, il samario e il disprosio, molto richiesti perché utilizzati in molti prodotti tra cui cuffie e auricolari. Il numero di applicazioni che utilizzano i magneti sembra essere sempre più grande, molti dei materiali sono estratti in Cina, quindi il prezzo spesso può dipendere dal nostro status commerciale con la Cina. Recentemente Tesla nei suoi motori ha iniziato a utilizzare i magneti permanenti».
I motori elettrici utilizzano campi elettromagnetici rotanti per far girare un rotore. Le bobine di filo nella parte esterna fissa del motore, chiamato statore, producono questi campi elettromagnetici. Nei motori a magneti permanenti, i magneti attaccati al bordo del rotore in rotazione producono un campo magnetico che viene attratto dai poli opposti del campo di rotazione, questa attrazione fa girare il rotore.
I motori sincroni a riluttanza non utilizzano magneti, al contrario, un rotore in acciaio con intercapedini d’aria si allinea al campo magnetico rotante. La riluttanza, ovvero il magnetismo di un materiale, è la chiave di questo processo, quando il rotore ruota insieme al campo magnetico rotante, si produce una coppia. La coppia è maggiore quando il rapporto di salienza, o la differenza di magnetismo tra i materiali (in questo caso, l’acciaio e i traferri non magnetici), è maggiore.
Robert Sansone invece di usare le intercapedini, ha pensato di incorporare in un motore un altro campo magnetico, questo aumenterebbe il rapporto di salienza e, a sua volta, produrrebbe più coppia. Il suo progetto comprende altri componenti, ma non può rivelare ulteriori dettagli perché in futuro spera di brevettare la tecnologia.
Robert Sansone ha detto:
«Una volta avuta l’idea iniziale, ho dovuto fare dei prototipi per testare la funzionalità del progetto, non ho molte risorse per realizzare motori molto avanzati, quindi ho dovuto realizzare una versione più piccola, un modello in scala, utilizzando una stampante 3D. Ci sono voluti diversi prototipi prima di poter testare il mio progetto, non avevo un mentore che mi aiutasse, quindi ogni volta che un motore si guastava, dovevo fare enormi ricerche per risolvere i problemi, alla fine, al 15° motore, sono riuscito a ottenere un prototipo funzionante».
Robert Sansone ha testato il suo motore sull’efficienza e la coppia, poi per fare un confronto, lo ha riconfigurato per farlo funzionare come un motore sincrono a riluttanza più tradizionale. Ha scoperto che il suo nuovo progetto a 300 giri il minuto (RPM) mostrava una coppia superiore del 39% e un’efficienza superiore del 31%; a 750 giri il minuto, l’efficienza era superiore del 37%.
Il motore della Model S di Tesla può raggiungere i 18.000 giri il minuto, come ha spiegato il principale progettista di motori dell’azienda, Konstantinos Laskaris, in un’intervista del 2016 a Christian Ruoff della rivista di veicoli elettrici Charged.
Robert Sansone nell’intervista rilasciata a Top of the Class (un podcast prodotto da Crimson Education), ha detto che non ha potuto testare il suo prototipo a un superiore numero di giri il minuto perché gli elementi di plastica si sarebbero surriscaldati: una lezione che ha imparato a sue spese quando uno dei prototipi si è fuso sulla sua scrivania.
Robert Sansone ha convalidato i suoi risultati in un secondo esperimento, come riportato nella presentazione del progetto ha “isolato il principio teorico in base al quale il nuovo design crea salienza magnetica”.
L’esperimento in sostanza ha eliminato tutte le altre variabili, ha confermato che i miglioramenti nella coppia e nell’efficienza erano correlati al maggiore rapporto di salienza del suo progetto.
Heath Hofmann ha detto:
«Robert Sansone sicuramente sta procedendo nel modo giusto, nel suo progetto c’è il potenziale per essere la prossima grande innovazione. Molti professori lavorano alla ricerca e sperimentazione per tutta la vita, è abbastanza raro che finiscano per conquistare il mondo. È bene evidenziare che i materiali per i motori a riluttanza sincrona sono economici, ma le macchine sono complesse e notoriamente difficili da produrre. Gli alti costi di produzione sono quindi un ostacolo alla loro diffusione e un fattore limitante per l’invenzione di Robert Sansone».
Robert Sansone è d’accordo, ma ha detto: «In futuro sarebbe più facile costruirli con le nuove tecnologie come la produzione additiva con la stampa 3D».
Robert Sansone ora sta lavorando ai calcoli e alla modellazione 3D per la versione 16 del suo motore. Intende costruirlo con materiali più robusti per poterlo testare a un maggiore numero di giri il minuto. Ha affermato che se il suo motore continuerà a funzionare ad alta velocità ed efficienza, procederà con la procedura di brevettazione.
Robert Sansone frequenta l’ultimo anno alla Fort Pierce Central High School, sogna di frequentare il Massachusetts Institute of Technology. La sua vincita di 75.000 dollari all’ISEF sarà destinata alla retta universitaria. Inizialmente non aveva pianificato di partecipare al concorso, ma quando ha saputo che uno dei suoi corsi gli consentiva di completare un progetto di ricerca di un anno e una relazione su un argomento a sua scelta, ha deciso di cogliere l’occasione per continuare a lavorare sul suo motore. Ha detto:
«Ho pensato che se sono in grado di metterci tutta questa energia, potrei anche farne un progetto per la Fiera della scienza e partecipare a una gara. Sono passato all’ISEF, dopo aver ottenuto buoni risultati nelle competizioni distrettuali e statali».
Robert Sansone sta aspettando la prossima fase di test prima di rivolgersi a qualche azienda automobilistica, spera che un giorno il suo motore diventi la scelta per i veicoli elettrici, in conclusione ha affermato:
«I materiali a base di terre rare presenti negli attuali motori elettrici, sono uno dei principali fattori che minano la sostenibilità dei veicoli elettrici. Sarebbe un sogno che si avvera vedere il giorno in cui i veicoli elettrici, saranno completamente sostenibili, grazie all’aiuto del mio progetto di motore innovativo».

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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