I ricercatori dell'Empa usano il catalizzatore per prevenire le partenze a freddo

Una marmitta catalitica potrebbe risolvere il problema, perché gli attuali motori a combustione sono ripetutamente criticati. Prima c'erano i diesel sporchi di fuliggine, che potevano essere "aiutati" con filtri antiparticolato. In seguito, sempre con il diesel, l'attenzione si è concentrata sui dannosi ossidi di azoto, che sono stati (presumibilmente) tenuti sotto controllo con complicati sistemi di post-trattamento dei gas di scarico - oppure no, come ha dimostrato lo scandalo del diesel. Un aspetto spesso trascurato nel dibattito sul diesel: Anche i motori a benzina contribuiscono all'inquinamento da particolato nelle città. Soprattutto nei luoghi in cui molti motori vengono avviati a freddo. Circa il 90% di tutti gli inquinanti viene prodotto nel primo minuto dopo l'accensione a freddo di un moderno motore a benzina.

Soluzione per il problema dell'avviamento a freddo

In altre parole, i primi 500 metri di guida inquinano l'aria tanto quanto i successivi 5.000 chilometri, se si percorre una distanza simile senza sosta. Per migliorare ulteriormente la qualità dell'aria, quindi, sono necessarie marmitte catalitiche per auto che si riscaldino il più rapidamente possibile o, meglio ancora, che puliscano efficacemente i gas di scarico già al primo giro del motore dopo l'avviamento. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, specialista in post-trattamento dei gas di scarico presso il laboratorio motori dell'Empa, da quasi due anni ricerca una soluzione al problema dell'avviamento a freddo, che inquina gravemente l'aria soprattutto in città e alle basse temperature esterne, con il sostegno del Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) e dell'Ufficio Federale dell'Ambiente (UFAM).

Le elevate emissioni all'avviamento a freddo non riguardano solo milioni di auto a benzina, ma anche i modelli ibridi. In queste fasi, il motore a combustione e soprattutto il convertitore catalitico si raffreddano di nuovo, in alcuni casi al di sotto della temperatura di esercizio ottimale. Se la tecnologia di controllo passa nuovamente al motore a benzina, i gas di scarico contenenti sostanze inquinanti passano nuovamente attraverso il catalizzatore (raffreddato), quasi come dopo un avvio a freddo.

Affinché il convertitore catalitico possa essere riscaldato fino a 300 gradi Celsius dall'alimentazione dell'auto con il minor dispendio di energia possibile, anche prima dell'avvio del motore, deve essere piccolo e condurre il calore nel modo migliore possibile. Dimopoulos Eggenschwiler e il suo team hanno sviluppato una struttura a pori aperti con un rivestimento speciale che può essere riscaldata da un piccolo trasmettitore di microonde in dieci secondi, come un forno a microonde di casa. Già nel 2012, il ricercatore dell'Empa ha sviluppato un convertitore catalitico particolarmente efficiente: una fusione ceramica di una schiuma di poliuretano che fa vorticare meglio i gas di scarico e genera una minore contropressione rispetto a un convertitore catalitico con una struttura convenzionale a nido d'ape.

Ceramica dalla stampante 3D

Il "gatto di schiuma" ha dato vita all'idea successiva: una struttura geometrica a reticolo composta da sottili montanti in ceramica che riesce con un rivestimento in metallo prezioso più piccolo a pulire efficacemente i gas di scarico che vi turbinano. "Per prima cosa abbiamo cercato una struttura ottimale al computer", spiega Dimopoulos Eggenschwiler. "Una struttura che si riscalda rapidamente, accelera le reazioni chimiche e allo stesso tempo ostruisce il flusso il meno possibile".

Poi la struttura doveva essere riprodotta in ceramica. Gli specialisti della Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) di Lugano hanno realizzato il reticolo progettato al computer utilizzando la stereolitografia, un tipo di stampa 3D a partire da liquidi e luce UV. I ricercatori dell'Empa hanno poi rivestito la ceramica con carburo di silicio, ossido di zirconio e ossido di alluminio - e con le sostanze catalizzatrici attive platino, rodio e palladio. L'azienda ticinese EngiCer SA si sta occupando della produzione dei primi piccoli lotti ed è in grado di ampliare le proprie capacità in caso di maggiore richiesta. È coinvolto anche il produttore svizzero di catalizzatori HUG Engineering AG.

La struttura geometrica in ceramica del catalizzatore di prova è stata progettata al computer. Gli specialisti dell'Empa lo hanno rivestito con lo strato attivo e hanno testato l'effetto pulente in un flusso artificiale di gas di scarico.

Quello che probabilmente è il primo catalizzatore di gas di scarico al mondo realizzato con la stampante 3D ha soddisfatto tutte le aspettative nella prova pratica: Nel flusso di gas di scarico generato artificialmente dal reattore di gas modello dell'Empa, la nuova geometria a poliedri ha depurato gli inquinanti anche meglio del convertitore catalitico a schiuma del 2012. Dopo che i primi test di laboratorio con piccoli modelli di convertitori catalitici hanno avuto successo, è ora in preparazione un progetto di follow-up: un convertitore catalitico 3D a grandezza naturale sarà installato in un veicolo prototipo e poi testato sul banco di prova e su strada.

Il passo successivo è l'integrazione del riscaldamento a microonde. "È importante non riscaldare l'intera struttura ceramica", spiega Dimopoulos Eggenschwiler. "Vogliamo concentrare le microonde generate con la preziosa energia delle batterie solo sulla prima parte del catalizzatore. Se le prime reazioni chimiche vanno a buon fine, il resto del catalizzatore si riscalda molto rapidamente". Uno o due kilowatt di potenza per dieci o venti secondi potrebbero essere facilmente sottratti alla batteria dell'auto, afferma l'esperto di scarichi. "Dovrebbe essere sufficiente". Una volta che il motore è in funzione, i gas di scarico e le reazioni chimiche nel convertitore catalitico stesso forniscono il calore sufficiente a mantenerlo caldo. A questo punto il microonde può essere spento. Le emissioni all'avviamento a freddo potrebbero quindi essere presto storia.

http://www.empa.ch