Speciale ERC Starting Grant

Gli italiani che hanno vinto in Europa

(30Science.com) – Roma, 07 dic. – Nei giorni scorsi lo European Research Council (ERC) ha assegnato gli Starting Grant. Si tratta di finanziamenti che vengono assegnati a giovani ricercatori che possono scegliere la sede dove svolgere le loro attività di ricerca. Tra i vincitori di questo bando ci sono cittadini di 46 paesi, in particolare tedeschi (70 ricercatori), italiani (41), israeliani (30) e olandesi (28). Non tutti i ricercatori e le ricercatrici italiane che hanno vinto questo consistente assegno (circa 1,5 milioni di euro) hanno scelto una sede in Italia  per sviluppare le loro attività. Altri hanno optato per altri Paesi.

IVAN LANGELLA originario di Napoli, classe 1987, sarà alla Delft University of Technology per sviluppare il progetto  OTHERWISE (Control of Hydrogen and Enriched-hydrogen Reacting flows with Water injection and Intensive Strain for ultra-low Emissions)

Ivan Langella Credit Frank Auperlé

Perchè non ha scelto di realizzare il suo progetto in una istituzione di ricerca italiana?

Bisogna fare una premessa. Ho scritto il progetto di ricerca quando ero già Assistant Professor a TU Delft, e la cosa più ovvia è proporre la tua istituzione corrente come host per il progetto. TU Delft, e il governo olandese, stanno spingendo molto sull’idrogeno, con fondi di ricerca addizionali, e quindi al momento trovo le mie idee di ricerca molto ben supportate e in linea con la strategia olandese e di TU Delft. Per questo motivo trovo TU Delft un posto eccezionale dove conseguire la mia ricerca. Detto questo, non ho ricevuto chiamate o offerte da istituzioni italiane per valutare alternative prima dell’inizio ufficiale del grant. Non escludo un mio rientro in futuro, ma ovviamente alle condizioni giuste.

Qual è stato il suo percorso accademico?

Mi sono laureato all’Università Federico II di Napoli, dove ho conseguito sia il Bachelor (Laurea Triennale) che il Master (biennale), entrambi conseguiti con 110 e lode più menzione particolare al merito della commissione. Nel master (conseguito a Marzo 2011) mi sono specializzato in fluidodinamica e simulazioni numeriche. Poco prima di laurearmi vinsi un progetto di interscambio con università americane finanziato dalla regione Campania (RISUM), di 6 mesi, che decisi di passare all’Università di Yale (New Haven, Connecticut, USA), sotto la guida del Prof Alessandro Gomez, per studiare sperimentalmente flussi reattivi in counterflow. Da lì feci domanda per dottorati in diverse Università nel mondo, tra cui the University of Cambridge, UK, dove vinsi la borsa di studio. Ebbi al tempo anche l’offerta per condurre il dottorato al Politecnico di Milano. Entrambe le posizioni erano di alto livello, scelsi poi la prima perché preferii continuare la mia esperienza all’estero. Mi trasferii a Cambridge a Gennaio 2012, subito dopo essere tornato da Yale in Italia per le vacanze di Natale. Dopo il dottorato, conseguito a Gennaio 2016, ho continuato ricerca sempre a Cambridge per altri due anni come postdoctoral associate, in un progetto riguardante lo sviluppo di motori (a kerosene) con fiamme di tipo premiscelato. Il progetto aveva come partners Rolls-Royce e il centro di ricerca aerospaziale tedesco (DLR). Io mio occupavo delle simulazioni numeriche dei combustori ad alta pressione. Durante quei due anni vinsi una non-stipendiary fellowship al Robinson College, con cui conseguii varie attività parallele di ricerca (sempre in ambito energetico), esplorando altri punti di vista, come quello della fusione nucleare (su cui ho un progetto al momento). Vinsi poi nel 2018 la cattedra di fluidoduinamica all’università di Loughborough (UK), come Lecturer (equivalente di Assistant Professor) tramite il concorso “Excellence 100”. Per una combinazione di opportunità e ragioni personali poi feci domanda a fine 2019 alla TU Delft, che vinsi e dove poi mi trasferii come Assistant Professor con la mia partner di allora a maggio 2020. Complice la pandemia, la mia relazione di coppia iniziò a degenerare fino alla rottura a marzo 2022. Lo dico perché quando scrissi l’ERC proposal la relazione era in crisi, e l’impegno per la ricerca mi tolse inevitabilmente tempo per la relazione. Non me ne pento, questo grant mi apre tantissime opportunità ma a volte mi chiedo quale sia stato il prezzo. Avevamo comprato casa insieme, e per tenerla ho dovuto nel 2022 gestire uno tsunami finanziario mentre al contempo l’università di Delft rigettava la mia domanda per la promozione a contratto permanente, lasciandomi con molte incertezze. L’annuncio dell’ERC grant, oltre ad essere un importantissimo step per la mia ricerca, ha messo fine a queste incertezze e ha avuto, quindi, un valore molto forte anche per la mia vita personale, segnando la fine di un anno molto duro. Come ultima nota, l’ERC non è l’unico fondo di ricerca che ho vinto, anche se resta indubbiamente il più importante. Lavoro anche su un altro progetto finanziato dal governo inglese (EPSRC New Investigator Grant) dove studiamo “trapped vortex cavities” come sistema per bruciare idrogeno; e come detto un progetto in collaborazione con UK Atomic Energy Authority per studiare come raffreddare i fortissimi flussi termici nelle centrali a fusione usando metalli liquidi.

Ivan Langella Crediti Studio Oostrum, Netherlands

Di cosa si occuperà il suo progetto?

Il Progetto riguarda lo studio e sviluppo di un metodo innovativo per bruciare idrogeno nei motori aeronautici e nelle centrali di energia. Faccio una premessa. Sappiamo che l’uso di idrogeno come sostituto di metano e kerosene ha il vantaggio di non produrre né anidride carbonica, né alcun altro inquinante a base di carbonio (monossido di carbonio, fumi etc). Il problema è che se lo bruciamo in modo ‘tradizionale’ (combustione non premiscelata, carburante e aria entrano separatamente nella camera di combustione) produciamo livelli di ossidi di azoto (NOx) troppo alti, e questi ossidi sono altamente tossici. Se, d’altro canto, premisceliamo aria e combustibile (combustione premiscelata) prima della camera di combustione e in eccesso di ossigeno rispetto alla condizione stoichiometrica, possiamo controllare la temperatura (e quindi abbassare il NOx, che dipende fortemente dalla temperatura); tuttavia bruciando in questo modo la fiamma “insegue” il combustibile e potrebbe propagarsi fino all’iniettore o anche a monte. L’idrogeno in particolare è molto reattivo e questo problema è molto più forte che in altri combustibili. Inoltre, se premisceliamo, l’acustica potrebbe (e succede spesso nei casi premiscelati) rendere la fiamma instabile, e questo potrebbe portare a creare forti danni al motore o anche alla rottura dei suoi componenti. In altre parole, se bruciamo idrogeno non-premiscelato con aria, abbiamo troppo NOx; se bruciamo in modo premiscelato (e in eccesso di ossigeno) la fiamma tende ad essere instabile. La comunità scientifica sta cercando di trovare una soluzione dove al contempo il NOx è basso (si parla di meno di 10 parti per milione) e la fiamma è sotto controllo ad ogni condizione. La combustione diretta di idrogeno non va confusa con l’uso di idrogeno nelle celle a combustibile (fuel cells). Queste ultime non sono una soluzione per tutte le applicazioni per via del loro grosso peso e la relativa bassa potenza che generano. Per capirci, un grosso aeroplano non si alzerebbe da terra con una cella a combustibile. Con la combustione diretta, invece, abbiamo potenze elevatissime, tre volte più alte di quelle che si ottengono con il kerosene.

Qual è la sua proposta?

La soluzione che ho proposto nell’ERC starting Grant è quella di stabilizzare la fiamma ‘stirando’ fortemente la fiamma (intensive tangential strain). In altre parole si posiziona la fiamma dove ci sono forti gradienti di velocità (cioè forti variazioni di velocità) del flusso nella direzione tangente alla fiamma stessa. È in un certo senso come tirare una corda, che in questo caso rappresenta una fiamma. Per qualsiasi altro combustibile la corda si spezzerebbe se tiriamo troppo forte. Ma la fiamma a idrogeno, sorprendentemente, si rinforza. Questa proprietà, I cui motivi sono ancora poco chiari nella comunità scientifica ma di cui siamo certi, rende possibile realizzare al contempo basso NOx e fiamma stabile. Se stabilizziamo la fiamma a questi fortissimi gradienti in modo furbo, nel momento che la stessa prova a propagarsi verso l’iniettore, perde potenza (perché i gradienti diminuirebbero). Inoltre, ricerca recente del mio gruppo dimostra per la prima volta che il NOx al contempo diminuisce, perché questi forti gradienti ‘strappano via’ il radicale OH, importantissimo per la formazione di NOx, dale zone a più alta temperatura. La fiamma al contempo diventa anche più efficiente, che significa che possiamo raffreddare il motore prima, e visto che il NOx ha tempi chimici relativamente lunghi rispetto ad altre specie chimiche, gli diamo anche meno tempo per formarsi, abbassandolo ulteriormente. C’è però un gap scientifico da superare. Quello che c’è da capire, e che studierò con il mio team nei prossimi 5 anni, è come fare in modo di tenere la fiamma di idrogeno premiscelata su livelli altissimi di strain, soprattutto considerando che i livelli di turbolenza nei motori sono molto alti. Come realizzare questo controllo della fiamma turbolenta ad alto strain è l’obiettivo finale, e investigheremo il problema sia con simulazioni numeriche di altissima risoluzione sui supercomputer nazionali e di TU Delft (si parla di simulazioni che possono usare anche migliaia di processor simultaneamente, per settimane, per una singola simulazione di una camera di combustione), sia esperimenti in laboratorio. Per ottenere questo controllo proveremo varie tecniche, una per esempio consiste nell’uso di water droplets (spray di goccioline di acqua). Uno potrebbe pensare che l’acqua tende a spegnere la fiamma, ma in realtà, se fatto in modo intelligente, la si puoi controllare, e la fiamma a idrogeno, a differenza di altri combustibili, resta efficientissima.

Quali possono essere le potenziali applicazioni di queste ricerche?

Se riusciamo a capire come controllare, e tenere altissimi livelli di strain sulla fiamma, in condizioni di alta turbolenza, abbiamo a quel punto risolto il problema energetico dal punto di vista della combustione che letteralmente produrrebbe solo acqua (cioè potrei bere iI gas di scarico dopo averli condensati). Quello su cui ci focalizzeremo noi sono i motori aeronautici e i generatori a terra, ma il principio fisico può essere riutilizzato per qualsiasi altra applicazione che voglia usare combustione di idrogeno per produrre energia (per esempio le automobili – che sarebbero molto più leggere rispetto ai prototipi fatti con fuel cells). Facciamo attenzione che il problema energetico non sarebbe risolto sull’intero ciclo economico: dobbiamo sempre capire come produrre idrogeno velocemente in modo green (per esempio con elettrolisi usando fonti rinnovabili), come trasportarlo e stoccarlo in modo sicuro, come gestirlo a bordo (per esempio di un aeroplano, dove andrebbe tenuto a bassissime temperature per averlo liquido e ridurre il suo volume). E il suo costo deve essere basso abbastanza per essere competitivo sul mercato. Ma la buona notizia è che altri ricercatori e molte industrie importanti stanno lavorando su questi temi. Qui alla TU Delft stessa, il problema è affrontato da tutti i punti di vista.

Ivan Langella Crediti Studio Oostrum, Netherlands

Perché è così importante?

Come introdotto al punto precedente, si cerca una fonte di energia pulita alternativa alle fonti di origine fossile. Praticamente qualsiasi altro combustibile sintetico, per produrlo o per bruciarlo (per esempio ammonia), passa per la produzione o l’uso di idrogeno, quindi se si considera l’intero ciclo energetico l’idrogeno ha un grosso vantaggio. E, come detto, la sua combustione può soddisfare potenze elevatissime, e non producendo anidride carbonica, risolverebbe la crisi climatica. Nota su una comune fonte di confusione: il vapore acqueo prodotto è, come l’anidride carbonica, un ‘gas serra’. A differenza dell’anidride carbonica, però, condensa a temperatura ambiente. Quindi, se la temperatura media non aumenta per altri motivi (per esempio appunto la presenza di eccessiva anidride carbonica, spostando quindi l’equilibrio liquid/vapore a favore del vapore), l’effetto serra dell’acqua sarebbe limitato.

Quali sono i prossimi obiettivi della sua attività di ricerca

Sul breve termine bisogna organizzare il laboratorio con le varie attrezzature sperimentali, e cercare 5 ragazzi o ragazze in gamba che vogliono unirsi nel mio team. Dal punto di vista del lavoro, vogliamo divulgare il prima possibile le nostre più recenti scoperte sulle fiamme premiscelate di idrogeno ad alto strain, dove appunto dimostriamo l’abbattimento del NOx, e su come modellarle. Stiamo scrivendo degli articoli scientifici a riguardo.(30Science.com)