I balzi giganti della tecnologia dei veicoli sono la materia dei sogni: macchine volanti, motoslitte che funzionano esclusivamente a energia solare o elicotteri a due ruote tenuti in equilibrio dai giroscopi. Ma il percorso verso auto più pulite verrà percorso a piccoli passi. C'è un posto per veicoli completamente elettrici e perfino semi-autonomi, ma le modifiche ai progetti che bruciano benzina forniranno gran parte dei guadagni di risparmio di carburante previsti nei prossimi decenni.
I guzzlers stanno uscendo. Questa primavera, il consumo medio di carburante di tutte le auto appena acquistate è salito al massimo che mai, a 24, 6 miglia per gallone, secondo un'analisi del Transportation Research Institute (UMTRI) dell'Università del Michigan. Il risparmio di carburante salirà sicuramente ancora più in alto: entro il 2025, gli standard nazionali richiedono che le case automobilistiche raggiungano una media della flotta di almeno 54, 5 miglia al gallone per auto e camion leggeri.
Una migliore economia del carburante può aiutare a regnare nel consumo di petrolio e gli oltre 1, 5 miliardi di tonnellate di emissioni di gas serra emesse ogni anno dai veicoli stradali statunitensi. E sebbene le auto e i camion con il miglior consumo di carburante spesso vendano a un prezzo elevato, il miglioramento del chilometraggio del gas può aiutare gli automobilisti a risparmiare denaro alla pompa, dove una tipica famiglia americana ora spende circa il 4% del suo reddito annuale.
Quando i prezzi della benzina superano i $ 4 al gallone, il consumo di carburante tende a salire fino a diventare una delle cose migliori che la gente considera quando acquista un veicolo, afferma Bruce Belzowski, ricercatore dell'UMTRI. I prezzi si sono aggirati attorno a quel segno a livello nazionale - sebbene la media nazionale non lo abbia attraversato dal 2008 - e gli acquirenti stanno mostrando un appetito per un migliore risparmio di carburante. "I consumatori potrebbero dire: 'Dobbiamo ottenere di più da questo serbatoio'", afferma Belzowski.
Un recente rapporto del National Research Council rileva che è tecnicamente fattibile ridurre dell'80% entro il 2050 l'uso di petrolio e le emissioni di gas a effetto serra delle automobili, rispetto ai livelli del 2005. Migliorare l'efficienza dei veicoli a motore convenzionale, tuttavia, non sarà sufficiente da solo per offrire riduzioni così drammatiche. Le auto dovrebbero raggiungere una media superiore a 180 miglia al gallone sorprendente - ed estremamente improbabile - per raggiungere questo obiettivo basandosi solo sui guadagni di efficienza. È qui che entreranno in gioco carburanti alternativi e veicoli completamente elettrici.
Tutti i veicoli, indipendentemente dalla loro fonte di energia, devono diventare molto più efficienti se tali obiettivi devono essere realizzati, ma il miglioramento dell'efficienza di quelli che funzionano a petrolio potrebbe avere il maggiore impatto a breve termine. Queste auto costituiscono oggi la stragrande maggioranza dei veicoli su strada, consumando circa un terzo di tutto il petrolio usato negli Stati Uniti. E c'è molto spazio per miglioramenti, con solo un quarto dell'energia nel carburante per le auto di oggi viene effettivamente utilizzata per spostarli lungo la strada. Gran parte del resto viene perso come calore nel motore. Ridurre al minimo la quantità di lavoro che un motore a gas deve eseguire è uno dei modi più semplici e meno costosi per risparmiare carburante. Scienziati, ricercatori e case automobilistiche ritengono che ciò possa essere realizzato attraverso molteplici strategie, molte delle quali sono elencate di seguito:
Nuova tecnologia dei pneumatici
L'ottimizzazione dei progetti di pneumatici può anche offrire guadagni tagliando la resistenza al rotolamento o la forza causata dall'appiattimento di uno pneumatico mentre rotola lungo la strada. I ciclisti sanno che una gomma a terra richiede molta più gamba per rotolare con una clip rispettabile. Allo stesso modo, ridurre al minimo la quantità di appiattimento o deformazione di una gomma di un'auto attraverso materiali e design avanzati può ridurre la quantità di energia necessaria solo per farla rotolare.
Innovazioni del motore
I miglioramenti più drammatici, tuttavia, verranno probabilmente dalle modifiche alla trasmissione del motore, afferma Alan Crane, uno scienziato senior del Consiglio per i sistemi energetici e ambientali del Consiglio Nazionale delle Ricerche e il direttore dello studio per il rapporto NRC. Le trasmissioni con un numero maggiore di velocità, le trasmissioni a doppia frizione e i rivestimenti che riducono l'attrito potrebbero aiutare i motori a funzionare con una maggiore efficienza e ridurre la perdita di energia.
Una tecnologia nota come disattivazione del cilindro è un'opzione per le case automobilistiche che desiderano un prodotto meno assetato. Questo essenzialmente uccide metà del motore quando non è necessario, ad esempio durante la navigazione in autostrada, ma mantiene la potenza extra a disposizione per l'accelerazione, le grandi salite, il trasporto di barche o altre situazioni che richiedono un motore più potente. "Quindi si passa da un motore a sei cilindri a un tre", afferma Brandon Schoettle, ricercatore dell'UMTRI. Funzionando su un minor numero di cilindri consente ai conducenti di avere entrambi i modi, dando la priorità alla potenza quando ne hai bisogno e all'economia quando non lo fai.
Il ridimensionamento del motore è un altro modo per ottenere efficienza e non deve più comportarsi a scapito delle prestazioni. Nelle auto a gas convenzionali, il motore a combustione interna prende una miscela di benzina e aria in un cilindro. Un pistone si alza per comprimere questa miscela, quindi una scintilla la accende, producendo un'esplosione che spinge il pistone verso il basso. Una valvola si apre per lo scarico per lasciare il cilindro e il ciclo ricomincia: aspirazione, compressione, combustione, scarico. La turbocompressione, che forza l'aria in più nei cilindri di un motore, può consentire ai motori più piccoli di generare più potenza da ciascuna di queste piccole esplosioni.
Più piccolo di solito significa più leggero, e una riduzione del 10 percento del peso di un'auto produce circa una riduzione del sette percento nel consumo di carburante, osserva Crane. Entro il 2050, il rapporto NRC conclude che le auto potrebbero pesare il 40 percento in meno. "Questo è anche senza coinvolgere una grande quantità di fibra di carbonio [leggera]", afferma Crane. "In questo momento, quasi tutto in macchina è semplicemente in acciaio."
Sostituzione dell'acciaio pesante
Le leghe di ferro e acciaio rappresentano circa il 45 percento del peso della maggior parte delle auto. Ma sempre più materiali avanzati possono essere applicati in modo puzzle, con pezzi leggeri inseriti in vari punti della struttura in acciaio. "È possibile rafforzare le parti fondamentali", afferma Bill Reinert, responsabile nazionale dei veicoli a tecnologia avanzata per Toyota. Gli acciai ad alta resistenza vengono sostituiti con alternative più sottili e più forti all'acciaio comune e il contenuto di alluminio è in aumento. I compositi in fibra di carbonio e magnesio sono materiali relativamente costosi e difficili con cui lavorare oggi, ma più avanti potrebbero aiutare a ridurre il peso di alcuni componenti fino al 75 percento.
Perdere peso può anche avere effetti domino in quanto poche parti di una macchina scorrono in isolamento. "Se riesci a risparmiare 100 sterline, potresti essere in grado di passare a un motore più leggero, più piccolo o ridurre le dimensioni dei freni", afferma Crane. A sua volta, un motore più piccolo può significare semplicemente meno roba sotto il cofano, il che consente una maggiore flessibilità per il design aerodinamico, portando a un'efficienza ancora migliore.
Produzione di parti ottimizzata
I progressi nella progettazione assistita da computer stanno semplificando l'ottimizzazione di singole parti e sistemi per il risultato desiderato. "Gli strumenti stanno migliorando", afferma Crane. "Quando [i fabbricanti d'automobili] escogitano una revisione per un'auto, possono alimentare molte più informazioni nel computer e capire quali sono i migliori compromessi per il risparmio di carburante, così come altri fattori."
Le modifiche alle curve e agli angoli di un'auto e l'aggiunta di tapparelle attive che bloccano il flusso d'aria quando non è necessario per il raffreddamento del motore, possono ridurre al minimo il 5 percento della resistenza di un'auto ad alte velocità, abbastanza per ridurre la serra di un veicolo emissioni di gas di circa 1 grammo per miglio e consumi di carburante extra. Ma i cambiamenti esterni non devono essere drammatici per le auto per raggiungere 50 o più miglia al gallone. Un distributore di carburante del futuro, dice Crane, "dovrebbe assomigliare molto ai veicoli attuali".
Tuttavia, un'attenta ispezione o una rotazione dietro la ruota possono rivelare alcune differenze. "Poiché è un peso significativamente più leggero, [un'auto più efficiente del futuro] potrebbe sembrare leggermente diversa. Gestirà meglio, frusterà meglio in un angolo ", dice Crane. Nell'analizzare i possibili percorsi verso quegli obiettivi del 2050, il team NRC ha ipotizzato che i veicoli continueranno più o meno nella loro forma attuale. Quelle macchine "saranno un po 'più spazzate dal vento", dice Crane, ma niente di radicale. I veicoli "non si riducono o si spostano all'indietro in modo da non poter montare nessuno sul sedile posteriore."
Una mano amica dai computer
Più di un decennio dopo l'introduzione della Prius negli Stati Uniti, gli ibridi rappresentano ancora solo una piccola parte del mercato automobilistico globale, circa il tre percento dei veicoli venduti negli Stati Uniti. Ma una parte della tecnologia degli ibridi di oggi potrebbe aiutare un'ampia gamma di auto di domani a ottenere un miglior chilometraggio del gas. Uno dei pezzi più importanti è la tecnologia start-stop, che spegne il motore quando il veicolo è fermo, quindi si riavvia quando il conducente preme l'acceleratore.
Negli ibridi, questo è spesso combinato con la frenata rigenerativa, che sfrutta l'energia cinetica durante il rallentamento e la frenata per caricare una batteria. L'elettricità accumulata può quindi essere utilizzata per riavviare il motore. "La frenata rigenerativa e lo start-stop saranno sostanzialmente elementi di design molto comuni nei prossimi anni", afferma Crane.
Naturalmente, quando si tratta di risparmio di carburante, anche il comportamento del conducente è importante. La differenza nell'uso di carburante tra un guidatore aggressivo, con un vantaggio di piombo e un guidatore equilibrato e conservatore può arrivare fino al 20 percento. In una certa misura, la tecnologia potrebbe allontanare i conducenti dalle loro tendenze più dispendiose. Mentre è improbabile che la guida autonoma provochi auto senza conducente, almeno non in qualunque momento, l'amministratore delegato della Renault-Nissan, Carlos Ghosn, ha dichiarato a un recente evento presso la Stanford University, "vedrai molte auto con meno input dal guidatore. ”Queste auto possono essere ottimizzate per il risparmio di carburante e il percorso efficiente.
In un futuro più lontano, gli incroci potrebbero essere luoghi in cui le auto sono programmate per rallentare e farsi strada, piuttosto che sbattere i freni o navigare nelle rotonde, suggerisce Schoettle di UMTRI. "Se nessuno si ferma, hai migliorato il consumo di carburante", osserva.
"Sarebbe bello se ci fosse un proiettile magico", afferma Reinert di Toyota, una tecnologia che potrebbe pulire un'auto sporca senza che noi notiamo mai una differenza in termini di prestazioni, scelta, convenienza o prezzi. La realtà è che più tecnologie nelle giuste combinazioni possono fare molto per ripulire i nostri veicoli. "Tutte queste cose sono piccole", afferma Reinert, "ma tutto sommato".
