Poter sfruttare le capacità di trasduzione di energia di alcuni materiali intelligenti apre l'opportunità di integrare questa funzione all'interno della struttura primaria o di un componente strutturale di un sistema aerospaziale al fine di produrre un doppio beneficio. Questo progetto mira allo studio di un sistema di energy harvesting da vibrazioni meccaniche applicato alla struttura di un lanciatore, come ad esempio un payload adapter o un serbatoio. Il vantaggio è quello di ridurre le vibrazioni meccaniche e al contempo generare potenza elettrica fruibile da un generico dispositivo di avionica di bordo o da un sistema di monitoraggio della struttura stessa. A questo scopo, tra i possibili materiali, quelli che offrono i maggiori vantaggi in termini di efficienza e di processo tecnologico sono i piezoceramici. La ricerca si propone di studiare, modellizzare, realizzare e testare un payload adapter in scala ridotta in materiale composito laminato dotato di un sistema di energy harvesting mediante elementi piezoelettrici. Una fase di studio attraverso analisi strutturali con accoppiamento elettromeccanico piezoelettrico su modelli numerici, realizzati con approcci agli elementi finiti (FEM), permetterà di ottenere la configurazione ottimale che verrà realizzata nella successiva fase di manifattura. Il sistema verrà sottoposto ad un campo di sollecitazioni dinamiche su tavola vibrante riproducenti l'azione di carico di un lanciatore. L'azione meccanica sarà correlata con l'energia di tipo elettrico estratta dal sistema al fine di valutarne l'efficienza. Verrà inoltre valutata la riduzione delle vibrazioni indotta dall'estrazione di energia elastica durante la trasduzione
Se da un lato c'è molto interesse nello sviluppare la tecnologia dei materiali piezoelettrici in sinergia con i compositi, soprattutto ai fini del monitoraggio dell'integrità strutturale ma non solo, citiamo la riduzione delle vibrazioni, il morphing strutturale, l'energy harvesting, dall'altro lo stato dell'arte presente nella letteratura scientifica è fortemente limitato a sviluppi teorici [1]. La componente sperimentale della ricerca sui piezoelettrici inglobati nei compositi è carente in letteratura; possiamo citare un lavoro [2] in cui vengono effettuate delle prove comparative unicamente a trazione su provini in cui si è variata la modalità di inglobamento del trasduttore e mirati esclusivamente a valutare la resistenza del composito. Lo scopo di questo lavoro è concepire e produrre un sistema costituito da una rete di trasduttori piezoelettrici da applicare a una struttura aerospaziale sperimentale al fine di trasformarne parte dell'energia meccanica vibratoria in energia elettrica. Ci si propone poi di incorporare tale sistema su una struttura di tipo spaziale (payload adapter) di ridotte dimensioni, ottenendo un dimostratore per una gamma più ampia e più avanzata di applicazioni. Il dimostratore può infatti essere facilmente utilizzato a modello di una struttura più complessa. Fornire una struttura aerospaziale di un sistema di recupero dell'energia intrinseco trova grande utilità in condizioni operative, in cui anche una piccola attenuazione delle vibrazioni meccaniche produce grandi benefici. Questa è un'importante applicazione della ricerca con ampie ricadute in un contesto industriale. Un ulteriore contributo che rende innovativa la ricerca è quello di entrare nel merito dell¿interazione tra trasduttori piezo e struttura. L'operatività della rete di trasduttori viene rilevata attraverso la misura della capacità di generare energia. Al contempo la mitigazione dello stato vibratorio sarà oggetto di confronto rispetto ad una configurazione di riferimento.
[1] T.H. Brockmann: Theory of Adaptive Fiber Composites, From Piezoelectric Material Behavior to Dynamics of Rotating Structures. Springer, 2009
[2] M. Wiedermann and M. Sinapius: Adaptive, tolerant and efficient composite structures. Springer, 2013