Giancarlo Genta
Dipartimento di Meccanica - Laboratorio interdisciplinare di Meccatronica
Politecnico di Torino
La possibilità di sfidare la gravità sospendendo o facendo levitare oggetti ha da sempre affascinato la fantasia dell'uomo, stimolando l'ingegno di generazioni di inventori. Le antiche leggende ed i moderni racconti di fantascienza sono pieni di oggetti e persone che levitano nell'aria senza alcun supporto.
Da quando fu scoperto che l'aria ha un peso, molti inventori hanno proposto di utilizzare le forze aerostatiche per realizzare questo sogno, e nel 1783 i fratelli Montgolfier e J.A.C. Charles riuscirono a realizzare, a breve distanza di tempo gli uni dall'altro, due aerostati, funzionanti su principi completamente diversi, in grado di trasportare persone. Per generare forze aerostatiche sufficientemente intense sono però necessari palloni di enormi dimensioni, e questo modo di volare si è subito rivelato poco pratico ed ha trovato poche applicazioni.
Per tutto l'ottocento si è discusso sulla possibilità di far volare macchine più pesanti dell'aria, ed all'inizio del nuovo secolo finalmente le prime macchine a sostentazione aerodinamica si sono sollevate dal suolo. L'uso di ali, e poi di rotori, ha però poco a che vedere con la vera e propria levitazione senza contatto e richiede macchine grandi ed ingombranti, spesso in moto a forte velocità, ed una notevole spesa energetica. Più vicini al concetto di levitazione arrivano dispositivi quali i veicoli a cuscino d'aria ed i supporti ad aria, in cui un sottile velo di aria compressa mantiene un oggetto staccato dalla superficie di appoggio.
La scoperta dei fenomeni elettromagnetici ha aperto nuove strade, e molti inventori e scienziati si sono cimentati con questa nuova sfida: la levitazione magnetica. L'uso di forze magnetiche di attrazione (sospensione magnetica) o di repulsione (levitazione magnetica vera e propria) permette di realizzare un vero e proprio supporto senza contatto, anche in assenza di aria.
Alla fine del XIX secolo i progressi nella comprensione dei fenomeni elettromagnetici permisero di chiarire che era, in effetti, possibile usare forze magnetiche per ottenere la levitazione senza contatto, ma che allo stesso tempo era molto difficile garantire la stabilità dell'equilibrio. Nel 1842 S. Ernshaw aveva pubblicato un articolo sull'etere luminifero che, anche se direttamente non aveva nulla a che fare con la levitazione magnetica, dimostrò che una particella elettricamente carica posta in un campo elettrico è in equilibrio instabile. Questo risultato, noto come teorema di Ernshaw, è spesso considerato come la dimostrazione teorica dell'impossibilità di ottenere la levitazione magnetica passiva, anche se solamente nel 1939 Braunbeck2 lo generalizzò dimostrando l'instabilità di un corpo dielettrico in un campo elettrico e di un corpo ferromagnetico o paramagnetico in un campo magnetico.
L'impossibilità di levitazione stabile non riguarda né i materiali diamagnetici o superconduttori, che quindi possono levitare in modo stabile in un campo magnetostatica, né particolari configurazioni in cui intervengano altri fenomeni dinamici non compresi nel teorema di Ernshaw e nelle sue generalizzazioni.
Verso la fine del XIX secolo sono state realizzate alcune applicazioni della sospensione magnetica nel campo delle macchine rotanti, in cui tuttavia la sospensione non era completamente senza contatto Infatti per stabilizzare il corpo in levitazione è possibile, senza violare il teorema sopra citato, realizzare soluzioni in cui la sospensione magnetica è stabile in alcune direzioni, mentre un supporto meccanico convenzionale stabilizza l'oggetto nelle direzioni in cui si avrebbe instabilità. Tali soluzioni, utili per ridurre il carico agente sui cuscinetti meccanici, vengono oggi definite sospensioni ibride.
Fu solamente con i progressi nel campo della scienza dei controlli automatici e dell'elettronica che fu possibile realizzare sospensioni magnetiche controllate, dotate cioè di un sistema di sensori che rilevano la posizione dell'oggetto sospeso e di un sistema di controllo in grado di pilotare gli amplificatori di potenza che alimentano gli elettromagneti di sospensione in modo da stabilizzarlo nella posizione voluta. Tali sistemi sono necessariamente attivi in quanto necessitano di una fornitura di potenza dall'esterno.
Nel 1930 J.W. Beams dell'Università della Virginia a Charlottesville riuscì a realizzare una sospensione magnetica, che oggi verrebbe definita ad un asse attivo, per una centrifuga ad alta velocità. Il primo sistema a levitazione magnetica senza contatto era stato realizzato con successo e si era dimostrato utile in un'applicazione pratica.
Nel 1933, K.W. Meissner e R. Ochsenfeld scoprirono che i superconduttori si comportavano come diamagneti perfetti, respingendo i campi magnetici e generando in questo modo una forza repulsiva (effetto Meissner).
Pochi anni dopo fu chiaro che ciò permetteva di realizzare un sistema di levitazione magnetica passiva in grado di generare forze di repulsione ben superiori a quelle, debolissime, ottenibili mediante i materiali diamagnetici convenzionali. Tuttavia la levitazione magnetica era confinata a pochissime applicazioni, per la maggior parte in sofisticate attrezzature per la ricerca l'elettronica non era in grado di fornire sistemi di controllo praticamente utilizzabili per i sistemi attivi e la necessità di operare a temperature vicine allo zero assoluto (-273 0C) rendeva estremamente difficile l'uso dei sistemi a superconduttori.
A partire dagli anni `70 il continuo progresso nei sistemi elettronici di controllo e di potenza ha permesso di realizzare sistemi attivi di levitazione che trovano applicazione in un numero crescente di macchine di vario tipo.
Verso la fine degli anni `80. La scoperta di superconduttori con temperatura critica molto più elevata di quella dei superconduttori convenzionali ampliò i possibili campi di applicazione della levitazione a superconduttori. Essi tuttavia richiedono sempre di raggiungere temperature molto basse, dell'ordine di 180 0C sotto zero: lavorare alla temperatura dell'azoto liquido è molto più semplice che dover raggiungere quella dell'elio liquido, soprattutto in termini di costi e di semplicità di impianto.
Per di più i nuovi materiali ceramici (superconduttori di tipo TI) hanno un comportamento differente da quelli classici (di tipo I): per bassi valori del campo magnetico sono soggetti all'effetto Meissner, mentre per campi più intensi il campo magnetico inizia a penetrare nel materiale e vi resta intrappolato; in queste condizioni si possono esercitare forze molto più intense, sia repulsive che attrattive. L'entusiasmo suscitato dai superconduttori ad elevata temperatura è con il tempo scemata: mentre essi iniziano a trovare applicazioni importanti in altri campi della tecnologia, soprattutto nel trasporto dell'energia elettrica le applicazioni relative alla levitazione magnetica non hanno avuto la rapida diffusione che alcuni speravano.
Tipi di sospensione magnetica.
Per sospendere o far levitare un corpo in un campo magnetico è necessario superare l'instabilità predetta dal teorema di Ernshaw. Bisogna notare che l'instabilità riguarda solamente alcune delle direzioni: come chiunque può notare usando uno o due magneti permanenti ed un pezzo di ferro, un corpo ferromagnetico sospeso sotto un magnete permanente od un elettromagnete è instabile in direzione verticale (se si avvicina al magnete la forza di attrazione cresce e si avvicina ulteriormente sino ad attaccarsi, se si allontana la forza diminuisce e continua ad allontanarsi sino a cadere) ma stabile in direzione laterale. Un magnete permanente in repulsione sopra ad un altro magnete permanente è invece stabile in direzione verticale ma instabile in direzione laterale (tende a cadere di lato). Per rimuovere tale instabilità è possibile ricorrere a varie configurazioni, che possono essere classificate nel modo seguente:
Sistemi passivi
Sospensione ibrida meccanica-magnetica
Sospensione diamagnetica ed a superconduttori
Sospensione elettrodinamica
Sospensione con stabilizzazione giroscopica
Sistemi attivi
Sospensione parzialmente attiva
Sospensione totalmente attiva
Le sospensioni ibride sfruttano uno o più supporti meccanici per stabilizzare le direzioni che sarebbero naturalmente instabili. Tali configurazioni non sono quindi veramente senza contatto e pertanto, se il corpo sospeso è in moto, si ha comunque usura ed attrito. E tuttavia possibile sfruttare le forze magnetiche per ridurre il carico sull'appoggio meccanico riducendo ad esempio la resistenza al moto, oppure l'usura o ancora la necessità di usare lubrificanti in alcune parti critiche della macchina.
La levitazione diamagnetica ha l'inconveniente fondamentale di richiedere campi magnetici estremamente intensi per generare forze sufficienti a sospendere oggetti di un certo peso. Oggi si riescono a raggiungere valori del campo magnetico impensabili in passato e si sono viste dimostrazioni in cui oggetti quali una goccia d'acqua, una mela o addirittura una rana viva sono state fatte levitare utilizzando sistemi simili a quelli usati in medicina per la risonanza magnetica. Bisogna notare che i campi magnetici usati, pur molto intensi, sono statici e non sembra che causino alcun danno alle persone o ad altri esseri viventi. I superconduttori producono forze che, a parità di valori del campo magnetico, sono circa 100 volte superiori. Gli inconvenienti che ostacolano la diffusione della sospensione magnetica di questo tipo sono soprattutto legati alla bassa rigidezza della sospensione ed alla necessità di mantenere il superconduttore a bassissima temperatura, dato che anche i superconduttori ad elevata temperatura critica devono lavorare ad una temperatura inferiore a -100 0C.
I sistemi elettrodinamici sono basati sulle forze repulsive che si generano tra un magnete permanente od un elettromagnete ed un conduttore in cui siano presenti correnti indotte causate dal movimento all'interno di un campo magnetico. Si può far muovere il conduttore su un sistema di magneti fissi o far muovere il magnete sul conduttore, quello che conta è che ci sia moto relativo. In alternativa le correnti indotte possono essere dovute ad una corrente alternata, ma in quest'ultimo caso le forze di levitazione che si possono generare sono molto basse. Gli inconvenienti dei sistemi elettrodinamici, che peraltro stanno trovando applicazioni pratiche (il treno a levitazione magnetica giapponese è basato su un sistema elettrodinamico, con grossi elettromagneti superconduttori a bordo e via di corsa conduttrice), sono la necessità di avere moto relativo (il treno citato deve partire utilizzando ruote convenzionali, per "decollare" ad una certa velocità), la necessita di campi magnetici molto intensi e la notevole resistenza al moto causata dalle correnti indotte
È poi possibile sfruttare la stabilizzazione giroscopica di un magnete permanente rotante che così può levitare in repulsione sopra un magnete fisso, ma il sistema è stabile solamente in un ristretto campo di velocità di rotazione ed ha una bassissima rigidezza. E pertanto dubbio che sistemi di questo tipo possano avere applicazioni pratiche, oltre al ben noto giocattolo scientifico conosciuto con il nome commerciale di Levitron.
Nei sistemi attivi il corpo sospeso è ferromagnetico ed è attirato da un elettromagnete che lo mantiene in sospensione la configurazione sarebbe quindi instabile, se non fosse presente un sistema di controllo. Un sistema di sensori misura la posizione del corpo ed il controllore aumenta la corrente che fluisce nell'elettromagnete se il corpo si allontana, o la diminuisce se il corpo si avvicina oltre la posizione stabilita causando un aumento o una diminuzione della forza magnetica che riporta il corpo in posizione.
Dato che l'interazione tra un corpo ferromagnetico ed un elettromagnete produce solamente forze di attrazione per sospendere un corpo in una direzione è necessaria una coppia di magneti contrapposti che lo possa spostare in entrambe le direzioni, attraendolo ora in un senso, ora nell'altro. Fa eccezione la direzione verticale, per cui è sufficiente un solo magnete posto in alto, dato che la forza verso il basso è fornita dalla gravità. E così possibile usare un solo elettromagnete, in una configurazione detta ad un asse attivo: il corpo viene attirato verso l'alto, contro la forza di gravità, dal sistema attivo, mentre è naturalmente stabile in direzione orizzontale.
Tale configurazione non è però adatta ad applicazioni pratiche, dato che la rigidezza della sospensione risulta molto bassa, soprattutto in direzione orizzontale.
Per fissare completamente la posizione di un corpo, assimilato ad un punto materiale, nello spazio, occorre vincolarlo in tre direzioni, con una configurazione "a tre assi attivi". Se si vuole impedire che moti, è necessario vincolare anche le rotazioni intorno ai tre assi, utilizzando una configurazione "a sei assi attivi", realizzabile nel modo più generale usando 12 elettromagneti controllati. Se il corpo deve essere libero di ruotare intorno al suo asse, come avviene nelle macchine rotanti, si ha una sospensione a cinque assi attivi".
La configurazione a cinque assi attivi è quella che permette la maggior stabilità ed è la più interessante per le macchine rotanti, ma ha l'inconveniente di essere alquanto complessa. Per ridurne la complessità si può sfruttare la stabilità naturale in alcune direzioni, abolendo uno o più assi attivi. Se ad esempio le forze esterne applicate nella direzione dell'asse di rotazione sono molto piccole, si può sfruttare la stabilità del sistema in tale direzione, con una configurazione a "quattro assi attivi" basata su quattro coppie di elettromagneti.
Si nota infine che i campi magnetici necessari a far levitare un oggetto in questo modo sono tanto più intensi quanto più grande è la distanza tra i magneti ed il corpo in levitazione. Nelle applicazioni la distanza è dell'ordine di soli 0,5 mm, cosa che permette di generare forze di levitazione molto grandi, sospendendo oggetti anche di varie tonnellate, usando potenze elettriche in generale molto basse.
I sistemi di sospensione attiva fanno parte di quella vasta gamma di dispositivi, oggi definiti meccatronici, in cui si ha una fortissima integrazione tra discipline scientifico-tecnologiche diverse, quali la meccanica, l'elettronica e la scienza dei controlli automatici.
Applicazioni della sospensione magnetica
Le possibili applicazioni di dispositivi in grado di mantenere un corpo in una posizione fissa senza alcun contano fisico con altri oggetti sono molte, come ad esempio la sospensione dei modelli in 2alleria del vento. Un sistema a levitazione magnetica permette di sospendere il modello senza disturbare la corrente d'aria, simulando il campo aerodinamico in modo molto migliore di tutte le tecniche di sospensione attualmente in uso e contemporaneamente, se si usa un sistema attivo di sospensione, di regolare con grande precisione la posizione dell'oggetto rispetto alla corrente e di misurare le forze con grande precisione. Applicazioni di questo tipo sono ancora ostacolate dalla fortissima intensità dei campi magnetici necessari a causa della grande distanza tra il corpo sospeso ed i magneti.
Un'altra applicazione interessante è l'isolamento dalle vibrazioni. Mentre nella maggior parte delle applicazioni sono sufficienti i metodi consueti basati su elementi elastici e smorzanti, alcuni strumenti richiedono livelli di vibrazione così bassi da rendere necessario l'uso di tecniche di isolamento non convenzionali. In particolare, vi sono alcuni esperimenti scientifici eseguiti in condizione di microgravità su satelliti o sulla stazione spaziale, che sono resi impossibili dai disturbi provocati dal movimento di oggetti o persone a bordo del veicolo. In questi casi si può eseguire l'esperimento su una piattaforma sospesa magneticamente all'interno del veicolo spaziale: l'assenza di una via di trasmissione delle vibrazioni permette di creare un ambiente veramente privo di disturbi.
Le applicazioni più importanti della sospensione senza contatto sono però quelle in cui l'oggetto sospeso è in moto. Il moto può essere di rotazione, come nei cuscinetti magnetici per le macchine rotanti, oppure di traslazione, come nei veicoli a levitazione magnetica. Si parla in questo caso di sospensione a cinque assi, dato che il moto in una direzione (direzione di avanzamento del veicolo o rotazione intorno al proprio asse per i rotori) deve essere lasciato libero
I vantaggi della levitazione magnetica sono in questo caso notevoli. Per prima cosa non vi è contatto fisico tra parti dotate di moto relativo, e pertanto non si ha né attrito né usura. Si possono quindi raggiungere velocità relative anche molto elevate e la potenza richiesta per il moto è molto minore di quella che si ha nelle soluzioni convenzionali.
L'assenza di usura permette di aumentare la durata, riducendo i costi di manutenzione.
L'assenza di strisciamenti tra parti in moto rende superflua la presenza del lubrificante. I vantaggi sono molto diversi a seconda delle applicazioni: nelle macchine per l'industria alimentare e quella tessile i lubrificanti costituiscono sempre una possibile fonte di contaminazione del prodotto e quindi la possibilità di eliminarli è importante. In molti impianti a vuoto i vapori di lubrificante costituiscono una grave contaminazione: non per nulla una delle maggiori applicazioni dei cuscinetti magnetici è nelle pompe a vuoto usate per la fabbricazione dei semiconduttori, in cui la presenza dei vapori di lubrificante è estremamente nociva.
In molti casi inoltre l'impianto di lubrificazione è complesso, comprendendo pompe, filtri, radiatori ed altri componenti, costoso ed ingombrante. In talune macchine l'abolizione del sistema di lubrificazione può rendere economicamente vantaggioso l'uso della sospensione magnetica, anche in assenza di altri vantaggi.
I sistemi attivi di sospensione magnetica hanno in più la possibilità di modificare caratteristiche quali la rigidezza e lo smorzamento semplicemente intervenendo sull'elettronica di controllo, dando al progettista una grande libertà e rendendo possibili soluzioni che non erano neppure pensabili con le tecnologie convenzionali. In più è possibile utilizzare i sensori, che devono essere presenti nella macchina, per acquisire in tempo reale informazioni sul suo funzionamento. Tali informazioni, acquisite direttamente da un calcolatore di controllo, possono essere usate per eseguire una diagnosi, anche via Internet, dello stato della macchina, permettendo tempestivi interventi in casi di malfunzionamento.
Lo svantaggio principale sta nel maggior costo complessivo del sistema, in parte legato al fatto che si tratta di una tecnologia relativamente nuova, che non beneficia della riduzione di costi legata alla produzione in grande serie, come avviene, ad esempio, per i cuscinetti a sfere od a rulli. In alcune applicazioni pesano a sfavore anche l'assenza di una normativa specifica e la diffidenza da parte di molti utenti verso una tecnologia troppo nuova
Considerazioni simili valgono anche per i veicoli a levitazione magnetica, anche se qui il vantaggio è più quello di poter raggiungere elevate velocità che non la bassa resistenza al moto. Un treno a levitazione magnetica deve comunque vincere la resistenza aerodinamica, che alle alte velocità è maggiore di quella legata al sistema di sostentamento. Tuttavia nel campo dei sistemi di trasporto l'elevato costo della via di corsa ed i continui progressi delle ferrovie convenzionali hanno finora limitato le applicazioni. Sicuramente l'impatto dei sistemi a levitazione magnetica sui mezzi di trasporto è stato molto più quello di spingere i sistemi convenzionali ad un continuo progresso per mantenersi concorrenziali in termini di velocità, che non quello di offrire un'alternativa praticabile.
Attualmente vi sono due sistemi diversi in concorrenza tra loro: quello giapponese, basato su un sistema elettrodinamico, e quindi passivo, e quello del Transrapid tedesco, basato su un sistema elettromagnetico a cinque assi attivi. Altre soluzioni sono teoricamente possibili, anche se i grandi investimenti che sono stati già fatti per lo sviluppo dei due sistemi citati fa prevedere che, se si proseguirà con la decisione politica di realizzare un sistema di trasporto a levitazione magnetica, i due standard che si affermeranno saranno quelli sopra menzionati.
Conclusioni.
La levitazione magnetica è oggi una realtà, anche se ancora confinata in alcune applicazioni di nicchia. I sistemi passivi hanno il vantaggio di una maggior semplicità e potenzialmente di un costo minore, ma la bassa rigidezza della sospensione ed altre limitazioni, quali quella di richiedere campi molto intensi (sistemi diamagnetici) o bassissime temperature (sistemi a superconduttori), non fanno prevedere una loro ampia diffusione nel prossimo futuro.
I sistemi attivi al contrario si stanno affermando in vari campi specialistici e, grazie alla sempre maggior potenza di calcolo ed alle continue riduzioni di costo dei sistemi digitali, diverranno sempre più competivi con i sistemi convenzionali.
La possibilità di ridurre la resistenza al moto e di aumentare la velocità di rotazione permette la realizzazione di macchine più compatte, leggere e soprattutto di ridurre i consumi energetici. La riduzione delle esigenze di manutenzione potrà permettere una riduzione dei costi e l'assenza di lubrificanti avrà sicuramente vantaggi di tipo ambientale.
La levitazione magnetica ad EXPERIMENTA.
Ad Experimenta sono presenti due semplici dimostratori che permettono di vedere al lavoro i principi di base della sospensione magnetica attiva.
Il primo è un levitatore ad un asse attivo: un elettromagnete tiene sospesa una palla di materiale ferromagnetico. mentre due sensori ottici ne rilevano gli spostamenti verticali.
Un sistema di controllo analogico regola la corrente dell'elettromagnete per mantenere la palla in una posizione prefissata E inoltre possibile fornire al sistema una posizione variabile nel tempo: il levitatore mantiene ora la palla non più in una posizione fissa, ma le fa eseguire oscillazioni verticali controllate.
Il secondo è un motore elettrico il cui rotore è sospeso mediante un sistema a quattro assi attivi. Otto elettromagneti di sospensione, pilotati da un controllore digitale che riceve a sua volta informazioni sulla posizione del rotore da otto sensori ottici, mantengono il rotore in levitazione. ad una distanza di 5 mm dalle loro espansioni polari. Un motore asincrono, dello stesso tipo di quello realizzato più di un secolo fa da Galileo Ferraris per dimostrare il principio del campo magnetico rotante, lo mantiene in rotazione. Il sistema è dotato di due cuscinetti di atterraggio, semplici metallici su cui il rotore si appoggia in caso di mancanza di alimentazione agli elettromagneti.
Bisogna notare che non si tratta di una vera macchina operativa, ma di un dimostratore, realizzato per rendere evidenti i principi di funzionamento della sospensione magnetica attiva dei rotori. Per ottenere una buona efficienza, la distanza tra elettromagneti e rotore (il traferro) dovrebbe essere circa un decimo di quella qui adottata, cosa che permetterebbe di usare elettromagneti molto più piccoli. Anche il motore elettrico dovrebbe essere dimensionato diversamente per ottenere una buona efficienza, ma i piccolissimi valori del traferro impedirebbero una immediata comprensione del funzionamento della macchina.
Le macchine sono state realizzate dall'Officina Meccanica e dal Laboratorio Interdisciplinare di Meccatronica del Centro di Servizi di Prototipazione del Politecnico di Torino. Hanno collaborato alla realizzazione:
Dip. di Automatica e Informatica Dip. di Meccanica
Stefano Carabelli Nicola Amati
Eugenio Brusa
Dip. di Energetica Cristiana Delprete
Andrea Tonoli Giancarlo Genta
Wang Seeng Chee
Dip. di Elettronica
Marcello Chiaberge Centro di Prototipazione
Eduardo Miranda Andrea Argondizza
Andrea Delmastro
Dip. di Ingegneria Elettrica Marco Muzzarelli
Giuseppe Gianolio Francesco Muraglia
Giovanni Griva Costantino Rocco
Pietro Trocino
Articolo pubblicato dal Politecnico di Torino