Perché gli aerei utilizzano cherosene (carburante per aerei)?

Oggi diamo per scontato che gli aerei a reazione brucino kerosene. Ma agli albori dell’aviazione, gli aerei funzionavano con la stessa benzina delle auto. Perché il menu è cambiato così completamente? Questa storia non è solo una storia di tecnologia dei carburanti-è una saga di sicurezza, prestazioni e compromessi ingegneristici-.

Parte 1: L'era dei pistoni (1903-1940) – Il breve regno della benzina
Il primo volo dei fratelli Wright utilizzò benzina. I primi aerei utilizzavano tutti motori a pistoni, simili ai motori delle automobili, quindi la benzina era la scelta naturale.

Ben presto emersero i problemi:

Detonazione del motore (detonazione): per aumentare la potenza, i piloti avevano bisogno di rapporti di compressione più elevati, ma la benzina normale si auto-si accendeva e faceva esplodere. Ciò potrebbe ridurre la potenza o addirittura mandare in frantumi i cilindri.

Elevata volatilità: la benzina evapora facilmente a temperatura ambiente, creando vapori infiammabili. Durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale, molti aerei presero fuoco o esplosero al suolo durante il rifornimento a causa delle scintille statiche.

Ghiaccio sul carburatore in quota: il vapore acqueo nell'aria aspirata si congela nel carburatore in quota, bloccando il motore. I primi piloti a volte dovevano far gocciolare manualmente l'antigelo nel carburatore.

Negli anni '30 fu trovata una soluzione sotto forma di benzina per aviazione, nota anche come Avgas. Aggiungendo al carburante una sostanza chimica chiamata piombo tetraetile, il numero di ottani è stato aumentato da 40 a 100/130 o anche di più. Questo nuovo carburante, Avgas, è stato utilizzato per alimentare alcuni degli aerei più iconici della Seconda Guerra Mondiale, tra cui il caccia P-51 Mustang e il bombardiere B-29 Superfortress. Tuttavia, col passare del tempo, gli effetti tossici del piombo sono diventati una delle principali preoccupazioni e sono stati raggiunti i limiti del numero di ottano, spingendo gli ingegneri a cercare soluzioni alternative.

Parte 2: La rivoluzione dei jet (anni '40) – La benzina è condannata
Il motore a reazione è nato negli anni '40 (l'He 178 della Germania, il Gloster E.28/39 della Gran Bretagna). La sua camera di combustione richiedeva un combustibile che potesse:

Essere iniettato ad alta pressione e bruciare stabilmente.

Può scorrere facilmente anche quando fa davvero, davvero freddo - stiamo parlando di -50 gradi o -58 gradi F, che è il tipo di temperatura che sperimenteresti quando ti trovi a un'altitudine di crociera.

Lubrificare lo stantuffo della pompa del carburante ad alta-pressione.

La benzina ha fallito tutti e tre i test.

Requisiti del motore a reazione a benzina della proprietà
Punto di infiammabilità ~ -43 gradi (-45 gradi F) - Estremamente infiammabile > 38 gradi (100 gradi F) per sicurezza
Bassa-Temp. Il flusso si solidifica intorno a -40 gradi (-40 gradi F) Deve fluire al di sotto di -50 gradi (-58 gradi F)
Potere lubrificante Molto scarso (secco) Richiede un po' di potere lubrificante per la pompa del carburante
Anche il gasolio non era considerato una buona opzione. Uno dei motivi è che è molto spesso e non si rompe facilmente, il che ne rende difficile l'utilizzo nei motori. Inoltre, quando fa freddo, il gasolio diventa ancora più denso e scorre lentamente, un po' come il miele. E come se non bastasse, può lasciare dietro di sé fastidiosi depositi di carbonio che possono danneggiare il motore nel tempo.

Gli ingegneri hanno rivolto la loro attenzione al cherosene, che è spesso considerato la perfetta via di mezzo - non troppo leggero come la benzina, non troppo pesante come il diesel.

Parte 3: Il trionfo del cherosene (1950-1960) – Stabilire lo standard
La Gran Bretagna aprì la strada: alla fine degli anni '40, de Havilland sviluppò un cherosene ad alta-purezza per l'aereo di linea "Comet", chiamandolo Avtur (Aviation Turbine Fuel). Quando la cometa volò per la prima volta nel 1952, bruciò cherosene.

Gli Stati Uniti hanno adottato un approccio per tentativi ed errori per trovare il carburante giusto. Inizialmente, l'aeronautica americana utilizzò un carburante a "taglio largo" chiamato JP-1, simile alla benzina pesante. Tuttavia, questo combustibile causava molti problemi, inclusi depositi di coke e frequenti rischi di incendio dovuti a perdite. Successivamente, durante la guerra di Corea, l'aereo F-86 Sabre utilizzò JP-4, una miscela di benzina e cherosene. Sebbene il JP-4 avesse meno probabilità di congelarsi, era altamente infiammabile, il che portò a molti incidenti a terra.

La soluzione finale:

Militare: JP-8 (adottato dagli anni '70 in poi) – essenzialmente cherosene con piccole quantità di additivi anti-statici e antighiaccio.

Per gli aerei esistono due tipi principali di carburante: Jet A e Jet A-1. Il Jet A è utilizzato negli Stati Uniti e ha un punto di congelamento elevato, mentre il Jet A-1 è utilizzato in altri paesi e può sopportare temperature molto fredde, fino a -47 gradi o -53 gradi F. Nel tempo, questi due tipi di carburante sono diventati lo standard per il mondo intero.

Ogni anno utilizziamo un'enorme quantità di carburante per aerei - circa 300 miliardi di litri. E sentite questo, quasi tutti gli aerei a reazione, un enorme 99%, funzionano con carburanti a base di cherosene.

Parte 4: Perché il cherosene ha vinto: una revisione tecnica
Quando il punto di infiammabilità di un carburante è elevato, superiore a 38 gradi o 100 gradi F, significa che non può prendere fuoco da una fiamma libera quando è a temperatura ambiente. Questo è molto importante perché riduce i rischi di incendi quando il carburante viene maneggiato a terra o in caso di perdite durante il volo.

Punto di congelamento basso (< -47°C / -53°F): Remains fluid at typical intercontinental cruise altitudes (around -50°C / -58°F).

Stabilità termica: non si decompone facilmente né forma depositi di carbonio negli scambiatori di calore dell'olio combustibile (-operativi a temperature superiori a 150 gradi/302 gradi F), che potrebbero ostruire gli ugelli del combustibile di precisione.

Densità energetica favorevole: ha una densità energetica volumetrica superiore di circa il 12% rispetto alla benzina, il che si traduce in una maggiore autonomia.

Lubrificazione adeguata: fornisce una lubrificazione appena sufficiente per gli stantuffi della pompa del carburante ad alta-pressione (sebbene il moderno cherosene-a bassissimo-zolfo a volte richieda l'aggiunta di miglioratori del potere lubrificante).

Parte 5: Il futuro – Per quanto tempo dominerà il cherosene?
Sfida 1: Carburante per l'aviazione sostenibile (SAF)
Il carburante sostenibile per l’aviazione, o SAF, viene creato da cose come oli usati, rifiuti delle città o avanzi delle fattorie. È molto simile al cherosene che otteniamo dai fossili, quindi possiamo mescolarlo con quel carburante proprio adesso - fino a metà e metà. Il grande piano è quello di non avere più emissioni di carbonio entro il 2050.

Sfidante 2: idrogeno liquido (LH₂)
Airbus prevede di introdurre aerei di linea-alimentati a idrogeno entro il 2035. L'idrogeno ha zero emissioni di carbonio e una densità di energia gravimetrica molto elevata. Tuttavia, la sua densità volumetrica è estremamente bassa e richiede serbatoi criogenici grandi e pesanti. Rimangono sfide come l’infragilimento da idrogeno e i rischi di esplosione.

Sfidante 3: Batteria-Elettrica
Fattibile solo per piccoli aerei regionali che volano sotto i 500 km (310 miglia). La densità energetica della batteria è circa 50 volte inferiore a quella del cherosene, il che rende impossibile l'utilizzo di aerei a reazione di grandi dimensioni e a lungo raggio.

Per molto tempo a venire, probabilmente fino al 2050, i grandi aerei utilizzeranno ancora cherosene o un carburante simile prodotto in laboratorio. Questo tipo di carburante è in circolazione da un po', ma è davvero ottimo in quello che fa ed è difficile trovare qualcosa di meglio. È come il linguaggio standard del volo, vecchio ma ancora la scelta migliore.

Epilogo: un dettaglio rivelatore
Frank Whittle, un ingegnere britannico, brevettò il motore a reazione nel 1930. Inizialmente utilizzò benzina nei suoi banchi di prova, ma non funzionò come previsto. Il motore vibrerebbe violentemente e i barattoli di fiamma brucerebbero. Frustrato, Whittle decise di provare il cherosene - e le regole del gioco- furono rivoluzionarie. Il motore ha iniziato a funzionare subito senza intoppi. Da quel momento in poi fu chiaro che la benzina non era la scelta migliore per gli aerei di grandi dimensioni. Era semplicemente troppo volatile, troppo veloce e troppo pericoloso. D'altra parte, il cherosene si è rivelato un partner affidabile per volare. Il suo ritmo lento e costante lo rendeva perfetto per i cieli.