Discreti, leggeri, resistenti alla fatica e alle intemperie, i materiali compositi possono essere modellati in qualsiasi cosa: ali di aerei, pale di turbine eoliche, telai di biciclette, protesi mediche o persino componenti edili. Le loro qualità uniche hanno stimolato i neuroni degli scienziati fin dall’inizio del XX secolo. La prospettiva di un sostanziale risparmio di peso, e quindi di carburante, durante il boom dell’aeronautica e dei viaggi spaziali negli anni ’60 ha dato impulso alla ricerca, relegando in secondo piano la questione dell’ecologia e del riciclo di questi materiali, che ora stanno giungendo al termine della loro vita utile su vasta scala. La crescente consapevolezza della società nei confronti delle questioni ambientali negli ultimi decenni ha gradualmente indirizzato le nuove generazioni di materiali compositi verso un’economia circolare. Lo sviluppo di fibre vegetali, resine di origine biologica, processi di produzione a minore intensità energetica e materiali riparabili sta ora guidando gli sviluppi scientifici e tecnologici. L’EPFL e i suoi spin-off stanno esplorando numerose strade.
Materiali resistenti e rimodellabili
I compositi traggono le loro straordinarie proprietà da una miscela di materiali: un polimero come matrice combinato con reti di fibre - spesso di vetro o di carbonio - che ottimizzano la distribuzione delle sollecitazioni e ottimizzano le loro proprietà meglio di qualsiasi materiale uniforme. Mentre alcune applicazioni soggette a condizioni estreme, come la struttura di un aereo o di un razzo, giustificano l’uso dei composti più resistenti, altre svolgono perfettamente le loro funzioni con materiali e processi che rendono le parti leggermente meno resistenti, ma più ecologiche. L’uso di fibre naturali, come il lino o la canapa, è già relativamente comune per alcune parti di barche, automobili e persino cabine di aerei. "La ricerca di laboratorio ora include l’intero ciclo di vita della parte in composito. Alcune combinazioni di materiali che includono le fibre di carbonio, anche se sono meno rispettose dell’ambiente durante la produzione, possono far risparmiare molto carburante durante l’intera vita dell’aereo. Le fibre vegetali sono molto interessanti perché provengono da fonti rinnovabili, ma bisogna tenere conto dei pesticidi, dei fertilizzanti e dell’acqua necessari per la loro coltivazione. Una strada promettente per un equilibrio ancora migliore è la fibra di banana, ad esempio, che è un prodotto di scarto dell’agricoltura perché le piante vengono comunque sradicate ogni tre anni dai coltivatori", sottolinea Véronique Michaud, docente presso il Laboratorio per l’implementazione di compositi ad alte prestazioni (LPAC) della Facoltà di Scienze e Tecniche dell’Ingegneria dell’EPFL.
La ricerca di laboratorio comprende ora l’intero ciclo di vita del componente in composito.
Veronique Michaud, professore presso il Laboratorio per la realizzazione di compositi ad alte prestazioni (LPAC) dell’EPFL.
Le resine, la maggior parte delle quali sono ricavate da sottoprodotti del petrolio, sono spesso criticate per il loro impatto ambientale. Le alternative di origine biologica vengono gradualmente esplorate dai chimici e sono spesso incluse in una certa percentuale di polimeri. Ma la piccola rivoluzione su cui molti laboratori stanno attualmente lavorando è un nuovo tipo di resina nota come vitrimer. Da alcuni decenni gli scienziati cercano di trovare un materiale in grado di conciliare le proprietà dei due soliti tipi di polimeri: uno molto resistente ma difficile da riciclare, l’altro più facile da trasformare e riciclare, ma spesso meno efficace. i vitrimeri aprono enormi possibilità", conferma il professore. Nell’ambito del progetto ZeroPol finanziato da Innosuisse, che mira a ridurre al minimo l’impronta di CO2 dei prodotti in plastica durante il loro ciclo di vita, stiamo ad esempio testando diverse composizioni sviluppate da un’importante azienda di Basilea per applicarle ai compositi, produrre pezzi e valutarne le proprietà Un progetto europeo in cui è coinvolto anche LPAC mira a sviluppare una formula di resina vitrimer relativamente flessibile che possa essere rimodellata riscaldandola leggermente, da utilizzare ad esempio nelle cuffie.
Un materiale autocucinante per ridurre l’impronta di carbonio della produzione
L’impronta di carbonio dei compositi ad alte prestazioni risente anche dei processi di produzione ad alta intensità energetica. Per garantire la massima qualità, il processo abituale dei compositi ad alte prestazioni prevede spesso la cottura in autoclave, una sorta di pentola a pressione gigante. "Quasi il 95% dell’energia viene utilizzata per portare la macchina alla giusta temperatura", osserva Véronique Michaud. Per contrastare questo dispendio energetico, gli scienziati del LPAC stanno sviluppando una resina autocucinante. "L’idea è quella di illuminare un angolo della parte composita con una luce UV, per poi lasciare che il calore si propaghi da solo grazie alla struttura molecolare del materiale". Il processo funziona su campioni, ma richiede ancora alcuni anni di ricerca prima di poter essere padroneggiato e riprodotto su larga scala. I metodi sviluppati in questo laboratorio per eliminare l’autoclave si sono già dimostrati validi, in quanto un processo simile, sviluppato per produrre lo scafo dell’imbarcazione Alinghi all’inizio degli anni 2000, viene utilizzato dall’azienda Beyond Gravity (ex Ruag Space), nei pressi di Lucerna, per produrre le coperture dei razzi Ariane.
Dall’auto-riparazione alla fibra intelligente
I materiali compositi sono altamente resistenti, ma non sono immuni agli urti che ne alterano la struttura. C’è quindi un crescente interesse, sia nella ricerca accademica che nell’industria, per l’autoriparazione dei materiali compositi per estenderne ulteriormente la durata. Quando compare un’ammaccatura o una crepa superficiale, vengono rilasciati gli agenti autoriparatori inclusi nella composizione chimica. Lo spin-off CompPair, ad esempio, sta sviluppando resine che riparano l’oggetto riscaldando l’area danneggiata a circa 100 gradi. Ma il punto debole dei dispositivi in composito a volte risiede più nella giustapposizione delle parti che nel danno al materiale stesso. È il caso, in particolare, delle pale delle turbine eoliche, per le quali LPAC sta collaborando con il gruppo di meccanica dei compositi dell’EPFL per sviluppare un adesivo con microparticelle di polimero che conferiscono una consistenza ideale alla pasta e consentono la riparazione mediante riscaldamento quando compare una crepa. Infine, l’inserimento di fibre intelligenti all’interno delle strutture consentirebbe di ottenere informazioni dal cuore del pezzo per decidere se è necessario ripararlo o rottamarlo. Il Photonic Fibres and Materials Laboratory, guidato da Fabien Sorin, specialista in fibre intelligenti, sta collaborando con il LPAC a diversi progetti volti a integrare tali sensori nelle parti in composito.
Cosa fare dei compositi a fine vita?
Lo stretto intreccio dei materiali, che è il punto di forza dei compositi durante il loro utilizzo, si trasforma in una debolezza quando vengono riciclati. La maggior parte dei compositi di prima generazione che giungono a fine vita vengono bruciati o smaltiti in discarica, perché i materiali utilizzati non sono più rilevanti. Tuttavia, cominciano ad emergere progetti di ingegneria civile e architettonica che riutilizzano le strutture in materiale composito. "È ancora un mercato di nicchia, ma potrebbe essere molto più diffuso di quanto non sia attualmente", sottolinea Anastasios Vassilopoulos, professore del Composite Mechanics Group. "Insieme a Clemens Waldhart, docente di architettura presso il Laboratorio di Architettura Elementare e Studi Tipologici, abbiamo realizzato diversi progetti per riutilizzare le pale delle turbine eoliche come strutture edilizie (foto1) e per rivestire l’autostrada della tangenziale sud di Losanna con pannelli solari (foto2). Entrambi i progetti sono attualmente in fase di sviluppo e si sta cercando di ottenere un sufficiente supporto da parte dei vari attori coinvolti"Infine, esistono metodi per recuperare separatamente le fibre e la resina in modo da poterle riciclare in nuovi compositi, come la pirolisi - riscaldamento a temperature molto elevate - o l’uso di solventi. Diverse aziende, tra cui Composite Recycling e Verretex dell’EPFL, stanno cercando di rendere questi processi ecologici ed economicamente vantaggiosi. Composite Recycling utilizza un dispositivo itinerante per lavorare le parti di navi direttamente vicino al porto. L’obiettivo è ottenere pezzi di fibra riciclata sufficientemente lunghi da poter essere riutilizzati senza doverli fondere. Verretex sta sviluppando una tecnologia che consente di ottenere assemblaggi di fibre corte, non tessute e sciolte, di qualità identica alle originali.
