Aviazione sostenibile

Carburanti più puliti, aerei efficienti e minori emissioni: contabilità della CO₂, metriche di efficienza, ali e motori che consumano meno, carburanti sostenibili per l’aviazione, scie di condensazione, batterie e idrogeno, operazioni più pulite e percorsi verso lo zero netto, con sei laboratori. Gratuito, al tuo ritmo e legato al Sustainable Flight National Partnership della NASA, alla ricerca NASA-DLR sulle scie, ai dati SAF del DOE e ai fattori di emissione dell’EIA.

NASA Blue MarbleNASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA (ISS074-E-0046371, Jan. 3, 2026)NASA/Ben Smegelsky (KSC-20240124-PH-JBS01_0071)

Corsi › AERO 470

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Informazioni sul corso

Questo è lo schema di un corso gratuito di autoapprendimento scritto da Saving Planets. Non è un corso universitario, non dà crediti accademici e nessuna scuola è coinvolta.

Il suo ambito segue un corso a scelta dell’ultimo anno su aviazione e ambiente. Si basa sulla lezione sui fattori ambientali di MIT 16.885J Aircraft Systems Engineering (gratuita su MIT OpenCourseWare) e su materiale pubblico di NASA, DOE, EIA ed EPA, collegato dove aiuta. Nessuno di loro approva questa pagina.

Cosa aggiungiamo: ogni unità è legata a lavoro reale con una fonte pubblica citata, ogni numero della pagina viene ricalcolato da uno script di verifica prima della pubblicazione e ogni laboratorio funziona in un foglio di calcolo o una simulazione gratuiti.

Seguilo in ordine. Ogni unità ha obiettivi, idee chiave, equazioni, esempi passo per passo, esercizi con soluzioni complete, errori comuni, flashcard e un quiz. I tuoi progressi sono salvati solo in questo browser.

Come questo corso aiuta a salvare il pianeta

Tutto questo corso è una sezione pianeta: l’Alternative Fuels Data Center del DOE afferma che l’aviazione produce circa il 2% di tutta la CO₂ mondiale e il 12% della CO₂ dei trasporti, e le scie aggiungono riscaldamento oltre la CO₂.

Il Sustainable Flight National Partnership della NASA lavora per l’obiettivo del settore aereo di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050. Ogni unità termina con una breve sezione con fonti. I valori che non provengono da una fonte sono indicati come valori di esempio o da manuale.

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Prima di iniziare

Prerequisiti

  • Propulsione: spinta, efficienza e TSFC.
  • Prestazioni dei velivoli: portanza, resistenza ed equazione di autonomia di Breguet.
  • Termodinamica: energia, poteri calorifici ed efficienza del ciclo.
  • Capstone Design o Avionics & Systems Engineering: requisiti e compromessi.

Come studiare

  • Tieni in ordine le unità: kg, galloni, litri, MJ e Wh.
  • Chiediti sempre «per cosa?»: per volo, per passeggero-km, per kg di carburante.
  • Distingui la CO₂ di combustione dalla CO₂ del ciclo di vita.
  • Verifica ogni risparmio dichiarato rispetto a un riferimento.
  • Ricorda gli effetti non CO₂, come le scie di condensazione.
  • Fai ogni esercizio su carta prima di aprire la risposta e ripeti i quiz qualche giorno dopo.

Attrezzatura di laboratorio (per i laboratori reali)

  • Un foglio di calcolo (va bene qualsiasi gratuito), oppure Python.
  • Un computer o un tablet per la simulazione gratuita PhET Greenhouse Effect.
  • Gli appunti gratuiti di MIT 16.885J in un browser web.
  • Una calcolatrice.

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Programma suggerito di 15 settimane

Circa 6-9 ore a settimana: lettura, esercizi e, nelle settimane di laboratorio, il laboratorio.

SettimanaUnitàArgomentiLettura
1Aviazione e clima: contare la CO₂Contare la CO₂; Laboratorio AEIA
2Metriche di efficienzaMetriche di efficienzaNASA SFNP
3Efficienza aerodinamicaL/D e resistenza indottaMIT 16.885J
4Efficienza aerodinamicaConsumo secondo Breguet; Laboratorio BNASA SFNP
5Efficienza dei motoriEfficienza dei motori; Laboratorio CMIT 16.885J
6Carburanti sostenibili per l’aviazioneBasi dei SAFDOE AFDC
7Carburanti sostenibili per l’aviazioneCiclo di vita dei SAF; Laboratorio D; esercitazione di metà corsoDOE AFDC
8Scie di condensazione ed effetti non CO₂Scie di condensazioneNASA-DLR
9Propulsione elettrica e ibridaBatterie e autonomia elettricaNASA SFNP
10Propulsione elettrica e ibridaSistemi ibridi; Laboratorio ENASA SFNP
11Aerei a idrogenoAerei a idrogenoMIT 16.885J
12Operazioni, rumore e qualità dell’ariaOperazioniNASA SFNP
13Operazioni, rumore e qualità dell’ariaRumore e qualità dell’ariaEPA
14Percorsi verso lo zero nettoScenari; Laboratorio FDOE AFDC
15Percorsi verso lo zero nettoRipasso; esercitazione per l’esame finaleMIT 16.885J

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I tuoi progressi

Spunta unità e laboratori man mano che li finisci, e fai i quiz. Progressi e punteggi sono salvati solo in questo browser e non ci vengono mai inviati.

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Unità 1 · Settimana 1

Aviazione e clima: contare la CO₂

Da dove vengono le emissioni dell’aviazione, fattori di emissione, CO₂ di combustione rispetto al ciclo di vita e quota dell’aviazione sul totale.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Usare un fattore di emissione per calcolare la CO₂.
  • Convertire tra galloni, litri e chilogrammi.
  • Spiegare la CO₂ di combustione rispetto a quella del ciclo di vita.
  • Indicare la quota dell’aviazione nella CO₂ mondiale.

Concetti chiave

  • Bruciare carburante avio trasforma il suo carbonio in CO₂; la massa di CO₂ è circa tre volte quella del carburante perché ogni atomo di carbonio acquista due atomi di ossigeno.
  • L’EIA statunitense indica 21.50 lb (9.75 kg) di CO₂ per gallone di carburante avio bruciato.
  • La CO₂ del ciclo di vita aggiunge produzione e trasporto del carburante; per i carburanti sostenibili, la coltivazione della materia prima può assorbire CO₂.
  • L’Alternative Fuels Data Center del DOE afferma che l’aviazione rappresenta il 2% di tutta la CO₂ e il 12% della CO₂ dei trasporti nel mondo.
  • L’aviazione riscalda il clima anche con effetti non CO₂, come le scie e gli NOx.

Equazioni chiave

mCO2=EF×Vfuelm_{CO_2}=EF\times V_{fuel}
Emissioni dal volume di carburante
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
Fattore EIA del carburante avio
1 gal=3.785 L1\ \text{gal}=3.785\ \text{L}
Conversione di volume
4412≈3.67\frac{44}{12}\approx3.67
Rapporto di massa CO₂/carbonio

Esempi svolti passo passo

Esempio 1.1 Un volo brucia 5000 galloni di carburante avio. CO₂?

Mostra i passaggi
  1. 5000 × 9.75.

Risposta: 48,750 kg (48.75 t).

Esempio 1.2 Verifica i valori EIA in libbre e chilogrammi.

Mostra i passaggi
  1. 21.50 × 0.45359237.

Risposta: 9.75 kg, coerente.

Esempio 1.3 Quanti litri sono 5000 galloni?

Mostra i passaggi
  1. 5000 × 3.785.

Risposta: 18,927 L.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. CO₂ da 1000 galloni?

    Mostra la risposta

    9750 kg.

  2. Rapporto di massa tra CO₂ e carbonio?

    Mostra la risposta

    44/12 = 3.67.

  3. Quota dell’aviazione nella CO₂ dei trasporti (DOE)?

    Mostra la risposta

    12%.

  4. Cosa aggiunge il ciclo di vita?

    Mostra la risposta

    Effetti di produzione, trasporto e materia prima.

Errori concettuali comuni

  • Mito: La CO₂ pesa meno del carburante.

    In realtà: Pesa circa tre volte di più.

  • Mito: L’aviazione emette solo CO₂.

    In realtà: Contano anche le scie e gli NOx.

  • Mito: La CO₂ del ciclo di vita e quella di combustione sono uguali.

    In realtà: Differiscono, soprattutto per i SAF.

Flashcard

  • Fattore di emissione

    CO₂ per unità di carburante.

  • CO₂ di combustione

    Dalla combustione.

  • CO₂ del ciclo di vita

    Totale dal pozzo alla scia.

  • Effetti non CO₂

    Scie, NOx, fuliggine.

  • Jet A

    Carburante avio standard.

  • t CO₂

    Tonnellata di CO₂.

Quiz di autoverifica

1. CO₂ da 5000 gal…

Mostra la risposta

48,750 kg. × 9.75.

2. Fattore EIA…

Mostra la risposta

9.75 kg/gal. EIA.

3. Quota dell’aviazione in tutta la CO₂…

Mostra la risposta

2%. DOE.

4. Litri in 5000 gal…

Mostra la risposta

18,927. × 3.785.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

L’EIA statunitense indica 21.50 lb (9.75 kg) di CO₂ per gallone di carburante avio.

L’Alternative Fuels Data Center del DOE afferma che l’aviazione rappresenta il 2% di tutta la CO₂ mondiale e il 12% di tutta la CO₂ dei trasporti.

Su Saving Planets: Soluzioni · Osservazione della Terra

Fonti: U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 2 · Settimana 2

Metriche di efficienza

Carburante e CO₂ per passeggero-chilometro, intensità energetica e come confrontare equamente gli aerei.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Calcolare il carburante per passeggero-km.
  • Calcolare la CO₂ per passeggero-km.
  • Applicare un guadagno di efficienza percentuale.
  • Confrontare equamente gli aerei.

Concetti chiave

  • Le emissioni totali ingannano; normalizza per passeggeri e distanza.
  • Il coefficiente di riempimento conta: i posti vuoti aumentano le emissioni per passeggero.
  • L’intensità energetica (MJ per passeggero-km) confronta carburanti diversi su un’unica scala.
  • Un guadagno di efficienza riduce il carburante per unità di trasporto, non necessariamente il totale se il traffico cresce.
  • Il Sustainable Flight National Partnership della NASA punta a miglioramenti di efficienza energetica del 25–30% negli aerei da trasporto di nuova generazione.

Equazioni chiave

Vfuelnpaxd\frac{V_{fuel}}{n_{pax}d}
Carburante per passeggero-km
mCO2npaxd\frac{m_{CO_2}}{n_{pax}d}
CO₂ per passeggero-km
m′=m(1−g)m^\prime=m(1-g)
Dopo un guadagno frazionario g
LF=npaxnseatsLF=\frac{n_{pax}}{n_{seats}}
Fattore di carico

Esempi svolti passo passo

Esempio 2.1 5000 galloni trasportano 180 passeggeri per 2000 km (valori di esempio). Litri per passeggero-km?

Mostra i passaggi
  1. 18,927/(180 × 2000).

Risposta: 0.0526 L.

Esempio 2.2 CO₂ per passeggero-km?

Mostra i passaggi
  1. 48,750/360,000.

Risposta: 0.135 kg (135 g).

Esempio 2.3 Un guadagno di efficienza del 25% sullo stesso viaggio. Nuova CO₂?

Mostra i passaggi
  1. 48,750 × 0.75.

Risposta: 36,563 kg.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Stesso volo con 150 passeggeri: g di CO₂ per pkm?

    Mostra la risposta

    162.5 g.

  2. Coefficiente di riempimento, 180 posti su 200?

    Mostra la risposta

    0.9.

  3. Un guadagno del 30% su 48750 kg?

    Mostra la risposta

    34,125 kg.

  4. Perché normalizzare?

    Mostra la risposta

    Per confrontare equamente viaggi e aerei diversi.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Gli aerei più grandi emettono sempre di più per passeggero.

    In realtà: Spesso meno per passeggero.

  • Mito: L’efficienza riduce le emissioni totali.

    In realtà: Solo se il traffico non cresce più in fretta.

  • Mito: Posti uguali a passeggeri.

    In realtà: Usa il coefficiente di riempimento.

Flashcard

  • Passeggero-km

    Un passeggero trasportato per un km.

  • Fattore di carico

    Passeggeri diviso posti.

  • Intensità energetica

    MJ per pkm.

  • Effetto rimbalzo

    Crescita che compensa l’efficienza.

  • Riferimento

    Caso di riferimento.

  • Normalizzazione

    Confronto per unità.

Quiz di autoverifica

1. L per pkm…

Mostra la risposta

0.0526. 18,927/360,000.

2. g di CO₂ per pkm…

Mostra la risposta

135. 48,750/360,000.

3. Dopo un guadagno del 25%…

Mostra la risposta

36,563 kg. × 0.75.

4. Obiettivo SFNP…

Mostra la risposta

25–30%. NASA.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il Sustainable Flight National Partnership mira a consentire miglioramenti di efficienza energetica del 25–30% negli aerei da trasporto di nuova generazione in grado di usare il 100% di carburante sostenibile per l’aviazione e volare su traiettorie ottimali.

Le metriche per passeggero di questa unità sono il modo in cui si misurano tali guadagni.

Su Saving Planets: Prestazioni dei velivoli · Soluzioni

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 3 · Settimane 3–4

Efficienza aerodinamica

L/D, resistenza indotta e allungamento alare, ali ad alto allungamento e controventate, e consumo dall’equazione di Breguet.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Calcolare la frazione di carburante con Breguet.
  • Mostrare come L/D riduce il carburante.
  • Calcolare il coefficiente di resistenza indotta.
  • Spiegare perché ali lunghe e snelle fanno risparmiare carburante.

Concetti chiave

  • Secondo Breguet, la frazione di carburante è 1 − exp(−Rc/(V·L/D)).
  • Un L/D più alto significa meno carburante per la stessa autonomia.
  • La resistenza indotta C_Di = C_L²/(πeAR) diminuisce all’aumentare dell’allungamento.
  • Le ali molto snelle richiedono controventature (progetti controventati) per restare leggere e rigide.
  • Il fulcro della partnership della NASA è un dimostratore X-plane in scala reale che prova un progetto aerodinamico ultraefficiente.

Equazioni chiave

WfWi=1−e−Rc/(V L/D)\frac{W_f}{W_i}=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
Frazione di carburante
CDi=CL2πeARC_{D_i}=\frac{C_L^2}{\pi eAR}
Resistenza indotta
AR=b2/SAR=b^2/S
Allungamento
L/D=CL/CDL/D=C_L/C_D
Efficienza aerodinamica

Esempi svolti passo passo

Esempio 3.1 3000 km a 230 m/s, c = 0.6 /h, L/D = 17 (valori da manuale). Frazione di carburante?

Mostra i passaggi
  1. Rc/(V L/D) = 3 × 10⁶ × 1.667 × 10⁻⁴/(230 × 17) = 0.1279.
  2. 1 − e^(−0.1279).

Risposta: 0.120.

Esempio 3.2 Lo stesso con L/D = 20.

Mostra i passaggi
  1. 1 − e^(−0.1087).

Risposta: 0.103: il 14.2% di carburante in meno.

Esempio 3.3 C_Di con C_L = 0.5, e = 0.85, AR = 9?

Mostra i passaggi
  1. 0.25/(π × 0.85 × 9).

Risposta: 0.0104.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. C_Di con AR = 12?

    Mostra la risposta

    0.0078.

  2. Con AR = 19 (classe controventata)?

    Mostra la risposta

    0.0049.

  3. Allungamento per b = 36 m, S = 120 m²?

    Mostra la risposta

    10.8.

  4. Perché controventare un’ala snella?

    Mostra la risposta

    Per mantenerla leggera e rigida.

Errori concettuali comuni

  • Mito: La resistenza è tutta attrito.

    In realtà: La resistenza indotta è grande in crociera.

  • Mito: Le ali più lunghe sono gratis.

    In realtà: Limiti di peso e di gate.

  • Mito: Il carburante cresce linearmente con L/D.

    In realtà: Segue l’esponenziale.

Flashcard

  • L/D

    Rapporto portanza/resistenza.

  • Resistenza indotta

    Resistenza dovuta alla portanza.

  • Allungamento

    b²/S.

  • Fattore di Oswald

    Efficienza di apertura e.

  • Ala controventata

    Ala snella con montanti.

  • Frazione di carburante

    Carburante sul peso al decollo.

Quiz di autoverifica

1. Frazione di carburante, L/D 17…

Mostra la risposta

0.120. Breguet.

2. Carburante risparmiato con L/D 20…

Mostra la risposta

14.2%. Confronta le frazioni.

3. C_Di AR 9…

Mostra la risposta

0.0104. C_L²/(πeAR).

4. Un AR più alto…

Mostra la risposta

riduce la resistenza indotta. Formula.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il fulcro del suo Sustainable Flight National Partnership sarà un dimostratore X-plane in scala reale costruito per provare un progetto aerodinamico ultraefficiente, per orientare la prossima generazione di aerei a corridoio singolo.

La NASA prevede il primo volo del dimostratore non prima della fine del 2026.

Su Saving Planets: Aerodinamica I · Prestazioni dei velivoli

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 4 · Settimana 5

Efficienza dei motori

Efficienza termica, propulsiva e globale, rapporto di by-pass e nuclei motore avanzati.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Calcolare il rendimento propulsivo.
  • Combinare rendimento termico e propulsivo.
  • Spiegare perché un alto rapporto di by-pass fa risparmiare carburante.
  • Collegare l’efficienza al TSFC.

Concetti chiave

  • L’efficienza globale è l’efficienza termica per l’efficienza propulsiva.
  • L’efficienza propulsiva 2/(1 + V_e/V₀) aumenta quando la velocità di scarico si avvicina a quella di volo.
  • I turbofan ad alto by-pass muovono più aria più lentamente, aumentando l’efficienza propulsiva.
  • Nuclei più caldi, a pressione più alta e compatti aumentano l’efficienza termica.
  • Il lavoro Hybrid Thermally Efficient Core della NASA sviluppa nuclei di turbina ad alta densità di potenza per aerei da trasporto di nuova generazione.

Equazioni chiave

ηp=21+Ve/V0\eta_p=\frac{2}{1+V_e/V_0}
Rendimento propulsivo
ηo=ηthηp\eta_o=\eta_{th}\eta_p
Rendimento globale
TSFC∝V0ηoTSFC\propto\frac{V_0}{\eta_o}
Consumo di carburante per spinta
BPR=m˙bypass/m˙coreBPR=\dot m_{bypass}/\dot m_{core}
Rapporto di by-pass

Esempi svolti passo passo

Esempio 4.1 V₀ = 230 m/s, V_e = 400 m/s. η_p?

Mostra i passaggi
  1. 2/(1 + 400/230).

Risposta: 0.730.

Esempio 4.2 Abbassa V_e a 300 m/s (by-pass più alto).

Mostra i passaggi
  1. 2/(1 + 300/230).

Risposta: 0.868.

Esempio 4.3 Con η_th = 0.5, efficienza globale a V_e = 300?

Mostra i passaggi
  1. 0.5 × 0.868.

Risposta: 0.434.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. η_p a V_e = 350 m/s?

    Mostra la risposta

    0.793.

  2. Globale a V_e = 400, η_th = 0.5?

    Mostra la risposta

    0.365.

  3. Risparmio di carburante passando da 0.365 a 0.434 globale?

    Mostra la risposta

    Il 15.9% di carburante in meno per lo stesso lavoro.

  4. Cos’è il rapporto di by-pass?

    Mostra la risposta

    Portata di by-pass sulla portata del nucleo.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Uno scarico più veloce è più efficiente.

    In realtà: Riduce l’efficienza propulsiva.

  • Mito: L’efficienza termica è tutto.

    In realtà: Quella propulsiva conta altrettanto.

  • Mito: Il by-pass è gratis.

    In realtà: Fan più grandi aggiungono peso e resistenza.

Flashcard

  • Rendimento propulsivo

    Frazione utile della potenza di spinta.

  • Rendimento termico

    Efficienza del ciclo.

  • Rendimento globale

    Prodotto delle due.

  • Rapporto di by-pass

    Aria del fan su aria del nucleo.

  • TSFC

    Carburante per spinta per unità di tempo.

  • Nucleo del motore

    Compressore, combustore, turbina.

Quiz di autoverifica

1. η_p a 400…

Mostra la risposta

0.730. 2/(1 + 1.739).

2. η_p a 300…

Mostra la risposta

0.868. 2/(1 + 1.304).

3. Globale…

Mostra la risposta

0.434. 0.5 × 0.868.

4. Alto by-pass…

Mostra la risposta

aumenta η_p. Getto più lento.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il suo lavoro Hybrid Thermally Efficient Core accelera lo sviluppo e la dimostrazione di tecnologie avanzate per turbine in un nucleo ad alta densità di potenza per aerei commerciali di nuova generazione.

Entrambe le efficienze di questa unità incidono direttamente sul carburante bruciato per passeggero.

Su Saving Planets: Propulsione · Termodinamica

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 5 · Settimane 6–7

Carburanti sostenibili per l’aviazione

Cosa sono i SAF, filiere di produzione, limiti di miscelazione, riduzioni sul ciclo di vita e obiettivi nazionali.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Definire i SAF.
  • Calcolare il risparmio sul ciclo di vita di una miscela.
  • Dimensionare i risparmi a livello di obiettivi.
  • Spiegare i limiti di miscelazione.

Concetti chiave

  • Il DOE definisce i SAF come un carburante alternativo prodotto da materie prime non petrolifere che riduce l’inquinamento atmosferico del trasporto aereo.
  • I SAF possono essere miscelati a livelli tra il 10% e il 50%, a seconda della materia prima e della filiera di produzione (ASTM D7566).
  • I SAF miscelati funzionano negli aerei e nelle infrastrutture esistenti.
  • Il risparmio sul ciclo di vita scala con la frazione di miscela per la riduzione propria del SAF.
  • Il SAF Grand Challenge punta a 3 miliardi di galloni nel 2030 e 35 miliardi nel 2050 con almeno il 50% di riduzione sul ciclo di vita.

Equazioni chiave

s=b×rs=b\times r
Risparmio della miscela = miscela × riduzione del SAF
msaved=V×EF×rm_{saved}=V\times EF\times r
CO₂ risparmiata per volume di SAF
b≤0.5b\le0.5
Miscela massima (dipende dalla filiera)
EF=9.75 kg/galEF=9.75\ \text{kg/gal}
Fattore EIA

Esempi svolti passo passo

Esempio 5.1 Una miscela al 50% di SAF con il 50% di riduzione sul ciclo di vita. Risparmio complessivo?

Mostra i passaggi
  1. 0.5 × 0.5.

Risposta: 25%.

Esempio 5.2 3 miliardi di galloni con il 50% di riduzione, usando il fattore EIA come riferimento (semplificato).

Mostra i passaggi
  1. 3 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

Risposta: Circa 14.6 milioni di tonnellate di CO₂ all’anno.

Esempio 5.3 Lo stesso per 35 miliardi di galloni.

Mostra i passaggi
  1. 35 × 10⁹ × 9.75 × 0.5.

Risposta: Circa 171 milioni di tonnellate.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Una miscela al 10% con l’80% di riduzione?

    Mostra la risposta

    8%.

  2. Voli con SAF secondo l’ICAO, tramite il DOE?

    Mostra la risposta

    Oltre 360000 in 46 aeroporti.

  3. Perché il limite di miscelazione?

    Mostra la risposta

    Le proprietà del carburante devono rispettare le specifiche Jet A.

  4. I SAF richiedono nuovi motori?

    Mostra la risposta

    Le miscele funzionano negli aerei esistenti.

Errori concettuali comuni

  • Mito: I SAF hanno zero emissioni.

    In realtà: Bruciano producendo CO₂; il risparmio è sul ciclo di vita.

  • Mito: Qualsiasi miscela va bene.

    In realtà: I limiti dipendono dalla filiera.

  • Mito: I SAF incidono solo sulla CO₂.

    In realtà: NASA e DLR hanno trovato meno cristalli di ghiaccio nelle scie.

Flashcard

  • SAF

    Carburante sostenibile per l’aviazione.

  • HEFA

    Filiera degli esteri e acidi grassi idrotrattati.

  • Limite di miscelazione

    Quota massima di SAF.

  • ASTM D7566

    Specifica del carburante avio sintetico.

  • Riduzione sul ciclo di vita

    Taglio rispetto al carburante fossile.

  • Carburante drop-in

    Funziona nei sistemi esistenti.

Quiz di autoverifica

1. Risparmio della miscela…

Mostra la risposta

25%. 0.5 × 0.5.

2. Risparmi al 2030…

Mostra la risposta

≈ 14.6 Mt. × 9.75 × 0.5.

3. Intervallo di miscela…

Mostra la risposta

10–50%. DOE.

4. Obiettivo 2050…

Mostra la risposta

35 miliardi di gal. DOE.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

L’Alternative Fuels Data Center del DOE afferma che oltre 360000 voli commerciali hanno usato SAF in 46 aeroporti (secondo l’ICAO), e il SAF Grand Challenge punta a 3 miliardi di galloni nel 2030 e 35 miliardi di galloni nel 2050 con almeno il 50% di riduzione sul ciclo di vita.

Il DOE osserva che tutti e tre gli impianti statunitensi esistenti usano la filiera HEFA, mentre sono attesi impianti alcohol-to-jet.

Su Saving Planets: Soluzioni · Chimica Generale I

Fonti: U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

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Unità 6 · Settimana 8

Scie di condensazione ed effetti non CO₂

Come si formano le scie di condensazione, perché riscaldano, fuliggine e cristalli di ghiaccio, e come carburanti e rotte le riducono.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Spiegare la formazione delle scie.
  • Calcolare le riduzioni dei cristalli di ghiaccio.
  • Descrivere il riscaldamento non CO₂.
  • Indicare le opzioni di mitigazione.

Concetti chiave

  • Le scie si formano quando lo scarico caldo e umido si mescola con aria fredda e l’acqua condensa e congela sulle particelle di fuliggine.
  • Le scie persistenti possono estendersi in cirri che intrappolano il calore uscente.
  • Meno particelle di fuliggine significano cristalli di ghiaccio meno numerosi e più grandi che scompaiono prima.
  • NASA e DLR hanno rilevato che carburanti sostenibili a combustione più pulita producevano il 50%–70% di cristalli di ghiaccio in meno in crociera.
  • Aggirare l’aria sovrasatura di ghiaccio può evitare le scie persistenti.

Equazioni chiave

N=EI×mfN=EI\times m_f
Cristalli di ghiaccio da indice di emissione e carburante
N′=N(1−r)N^\prime=N(1-r)
Dopo una riduzione r
r∈[0.5,0.7]r\in[0.5,0.7]
Intervallo NASA-DLR
ΔT∝F\Delta T\propto F
Il riscaldamento scala con il forzante

Esempi svolti passo passo

Esempio 6.1 Un indice di emissione di esempio di 10¹⁵ cristalli di ghiaccio per kg di carburante. Con una riduzione del 50%?

Mostra i passaggi
  1. 10¹⁵ × 0.5.

Risposta: 5 × 10¹⁴ per kg.

Esempio 6.2 Con una riduzione del 70%?

Mostra i passaggi
  1. 10¹⁵ × 0.3.

Risposta: 3 × 10¹⁴ per kg.

Esempio 6.3 Un volo brucia 15000 kg di carburante in crociera (esempio). Cristalli con la riduzione del 70%?

Mostra i passaggi
  1. 3 × 10¹⁴ × 15,000.

Risposta: 4.5 × 10¹⁸.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Perché le scie riscaldano di notte?

    Mostra la risposta

    Intrappolano l’infrarosso uscente senza luce solare da riflettere.

  2. Cosa innesca il ghiaccio delle scie?

    Mostra la risposta

    Fuliggine e altre particelle.

  3. Riduzione da 5 × 10¹⁴ a 3 × 10¹⁴?

    Mostra la risposta

    40%.

  4. Una soluzione operativa?

    Mostra la risposta

    Aggirare l’aria sovrasatura di ghiaccio.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Le scie sono solo acqua, quindi innocue.

    In realtà: Possono aggiungere riscaldamento.

  • Mito: Tutte le scie persistono.

    In realtà: Solo in aria sovrasatura di ghiaccio.

  • Mito: Conta solo la CO₂.

    In realtà: Gli effetti non CO₂ sono significativi.

Flashcard

  • Scia di condensazione

    Traccia di condensazione.

  • Cirri da scia

    Scie persistenti estese.

  • Sovrasaturazione di ghiaccio

    Aria in grado di far crescere ghiaccio.

  • Fuliggine

    Particelle di carbonio.

  • Indice di emissione

    Quantità per kg di carburante.

  • Forzante non CO₂

    Riscaldamento oltre la CO₂.

Quiz di autoverifica

1. Riduzione del 50%…

Mostra la risposta

5 × 10¹⁴. × 0.5.

2. Intervallo NASA-DLR…

Mostra la risposta

50%–70%. NASA.

3. Cristalli per volo…

Mostra la risposta

4.5 × 10¹⁸. × 15,000.

4. Il ghiaccio delle scie si forma su…

Mostra la risposta

particelle di fuliggine. Nucleazione.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA riferisce che carburanti avio a combustione più pulita prodotti da fonti sostenibili possono generare il 50%–70% in meno di scie di cristalli di ghiaccio alla quota di crociera, secondo una ricerca congiunta di NASA e DLR (Centro aerospaziale tedesco).

La NASA osserva che le scie di cristalli di ghiaccio possono restare per ore nell’alta atmosfera e influire sul modo in cui la Terra si riscalda e si raffredda.

Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Trasmissione del calore

Fonti: NASA: NASA-DLR study finds sustainable aviation fuel can reduce contrails (2021)

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Unità 7 · Settimane 9–10

Propulsione elettrica e ibrida

Densità energetica delle batterie, efficienza della catena di trazione, autonomia elettrica e dove aiutano i sistemi ibridi.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Confrontare la densità energetica di batterie e carburante.
  • Tenere conto dell’efficienza della catena di trazione.
  • Calcolare l’autonomia di un aereo elettrico.
  • Individuare le missioni adatte.

Concetti chiave

  • Il carburante avio immagazzina circa 43 MJ/kg (11944 Wh/kg); le batterie attuali immagazzinano alcune centinaia di Wh/kg (valori da manuale).
  • Le catene di trazione elettriche convertono l’energia in modo molto più efficiente (circa il 90%) delle turbine (circa il 35%), riducendo il divario (valori da manuale).
  • L’autonomia elettrica a batteria è R = (e η/g)(L/D)(m_b/m).
  • Le batterie non si alleggeriscono scaricandosi, a differenza del carburante.
  • La NASA afferma che la propulsione elettrificata offre nuove possibilità per ridurre il consumo di carburante ed energia, dai piccoli aerei passeggeri agli aerei a corridoio singolo.

Equazioni chiave

R=eηgLDmbmR=\frac{e\eta}{g}\frac{L}{D}\frac{m_b}{m}
Autonomia a batteria
efuelebatt\frac{e_{fuel}}{e_{batt}}
Rapporto di densità energetica
e=250 Wh/kg=9×105 J/kge=250\ \text{Wh/kg}=9\times10^5\ \text{J/kg}
Batteria di esempio
1 Wh=3600 J1\ \text{Wh}=3600\ \text{J}
Conversione

Esempi svolti passo passo

Esempio 7.1 Carburante avio a 43 MJ/kg in Wh/kg, e rapporto con una batteria da 250 Wh/kg?

Mostra i passaggi
  1. 43 × 10⁶/3600 = 11,944 Wh/kg.
  2. 11,944/250.

Risposta: 47.8 volte.

Esempio 7.2 Correggi per l’efficienza: turbina 0.35, elettrico 0.9.

Mostra i passaggi
  1. 47.8 × 0.35/0.9.

Risposta: Circa 18.6 volte.

Esempio 7.3 Autonomia con e = 250 Wh/kg, η = 0.8, L/D = 15, frazione di batteria 0.3.

Mostra i passaggi
  1. 9 × 10⁵ × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3.

Risposta: Circa 330 km.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Autonomia se l’energia della batteria raddoppia a 500 Wh/kg?

    Mostra la risposta

    Circa 661 km.

  2. 250 Wh/kg in J/kg?

    Mostra la risposta

    9 × 10⁵.

  3. Perché gli ibridi aiutano?

    Mostra la risposta

    La potenza elettrica aiuta decollo e salita mentre il carburante fornisce l’autonomia.

  4. Migliori prime missioni?

    Mostra la risposta

    Voli regionali brevi e voli di addestramento.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Le batterie eguaglieranno presto il carburante avio.

    In realtà: Il divario resta ampio anche dopo l’efficienza.

  • Mito: Elettrico significa zero emissioni.

    In realtà: Dipende dalla rete elettrica.

  • Mito: Il peso della batteria cala in volo.

    In realtà: Resta costante.

Flashcard

  • Energia specifica

    Energia per massa.

  • Efficienza della catena di trazione

    Efficienza dalla batteria all’albero.

  • Ibrido-elettrico

    Carburante più potenza elettrica.

  • Frazione di batteria

    Massa della batteria sulla massa dell’aereo.

  • Wh/kg

    Unità di energia specifica delle batterie.

  • Intensità della rete

    CO₂ per kWh.

Quiz di autoverifica

1. Rapporto di energia…

Mostra la risposta

47.8. 11,944/250.

2. Corretto per l’efficienza…

Mostra la risposta

18.6. × 0.35/0.9.

3. Autonomia elettrica…

Mostra la risposta

≈ 330 km. Formula.

4. Autonomia con energia raddoppiata…

Mostra la risposta

≈ 661 km. Lineare.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che la propulsione elettrificata offre nuove possibilità per ridurre il consumo di carburante ed energia nell’aviazione, dai piccoli aerei passeggeri agli aerei a corridoio singolo, con nuove tecnologie, concetti, velivoli di prova e strutture a terra.

L’equazione di autonomia di questa unità mostra perché i primi aerei elettrici volano su rotte brevi. Le densità energetiche qui sono valori da manuale.

Su Saving Planets: Circuiti · Soluzioni

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

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Unità 8 · Settimana 11

Aerei a idrogeno

Energia dell’idrogeno per massa e volume, dimensionamento dei serbatoi, emissioni di acqua e compromessi di progetto.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Confrontare idrogeno e carburante avio per massa e volume.
  • Dimensionare il volume di un serbatoio di idrogeno.
  • Calcolare l’acqua prodotta.
  • Spiegare i compromessi di progetto.

Concetti chiave

  • L’idrogeno contiene circa 120 MJ/kg, 2.8 volte il carburante avio, ma l’idrogeno liquido ha solo circa 70.8 kg/m³ (valori da manuale).
  • Per litro, l’idrogeno liquido contiene circa 8.5 MJ contro circa 34.4 MJ del carburante avio, quindi i serbatoi sono circa quattro volte più grandi.
  • Bruciare idrogeno o usarlo in una cella a combustibile produce acqua, circa 8.9 kg per kg di idrogeno, e nessuna CO₂ a bordo.
  • I serbatoi criogenici sono ingombranti e pesanti, e plasmano l’intero aereo.
  • L’idrogeno verde dipende da elettricità pulita per l’elettrolisi.

Equazioni chiave

ev=ρ eme_v=\rho\,e_m
Energia per volume
V=EevV=\frac{E}{e_v}
Volume del serbatoio
mH2O=8.94 mH2m_{H_2O}=8.94\,m_{H_2}
Acqua dall’idrogeno
eH2ejet=12043\frac{e_{H_2}}{e_{jet}}=\frac{120}{43}
Rapporto di massa

Esempi svolti passo passo

Esempio 8.1 Idrogeno contro carburante avio per massa?

Mostra i passaggi
  1. 120/43.

Risposta: 2.79 volte di più per kg.

Esempio 8.2 Energia volumetrica dell’idrogeno liquido?

Mostra i passaggi
  1. 70.8 × 120/1000.

Risposta: 8.50 MJ/L.

Esempio 8.3 Rapporto di volume del serbatoio rispetto al carburante avio (0.8 kg/L, da manuale)?

Mostra i passaggi
  1. 34.4/8.50.

Risposta: Circa 4.05 volte più grande.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Acqua da 100 kg di idrogeno?

    Mostra la risposta

    Circa 894 kg.

  2. Energia volumetrica del carburante avio?

    Mostra la risposta

    0.8 × 43 = 34.4 MJ/L.

  3. Perché i serbatoi di idrogeno sono pesanti?

    Mostra la risposta

    Pareti criogeniche isolate.

  4. Quando l’idrogeno è a basse emissioni di carbonio?

    Mostra la risposta

    Quando è prodotto con energia pulita.

Errori concettuali comuni

  • Mito: L’idrogeno è leggero, quindi i serbatoi sono piccoli.

    In realtà: Una bassa densità implica serbatoi grandi.

  • Mito: Gli aerei a idrogeno non emettono nulla.

    In realtà: Emettono vapore acqueo, che può formare scie.

  • Mito: Tutto l’idrogeno è verde.

    In realtà: Oggi la maggior parte è prodotta da gas fossile.

Flashcard

  • LH₂

    Idrogeno liquido.

  • Criogenico

    Stoccaggio a temperature molto basse.

  • Cella a combustibile

    Fonte di energia elettrochimica.

  • Elettrolisi

    Scissione dell’acqua con l’elettricità.

  • Energia volumetrica

    Energia per volume.

  • Idrogeno verde

    Prodotto con energia pulita.

Quiz di autoverifica

1. Rapporto di massa…

Mostra la risposta

2.79. 120/43.

2. MJ/L di LH₂…

Mostra la risposta

8.50. 70.8 × 0.12.

3. Rapporto dei serbatoi…

Mostra la risposta

≈ 4. 34.4/8.5.

4. Acqua per kg di H₂…

Mostra la risposta

≈ 8.9 kg. 18.015/2.016.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il Sustainable Flight National Partnership della NASA copre tecnologie avanzate dei velivoli, operazioni efficienti e carburanti sostenibili per l’aviazione; questa unità aggiunge l’idrogeno come ulteriore opzione, in cui il volume del serbatoio è la principale sfida progettuale.

I valori dell’idrogeno in questa unità sono valori da manuale, non dati NASA.

Su Saving Planets: Chimica Generale I · Termodinamica

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

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Unità 9 · Settimane 12–13

Operazioni, rumore e qualità dell’aria

Rullaggio e traiettorie efficienti, aritmetica dei decibel, rumore aeroportuale, qualità dell’aria locale e benzina avio al piombo.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Stimare il risparmio di carburante in rullaggio.
  • Sommare livelli sonori in decibel.
  • Applicare la legge dell’inverso del quadrato.
  • Spiegare il problema del carburante al piombo.

Concetti chiave

  • Le operazioni contano: rullaggio con un motore, discese continue e traiettorie ottimali riducono il carburante con gli aerei di oggi.
  • I decibel si sommano in modo logaritmico: due sorgenti uguali sono più forti di 3 dB, non del doppio del numero.
  • In campo libero, il livello sonoro cala di circa 6 dB per ogni raddoppio della distanza.
  • NOx, particolato e CO dei motori incidono sulla qualità dell’aria vicino agli aeroporti.
  • L’EPA afferma che la maggior parte degli aerei che usano carburante al piombo sono aerei a pistoni con 2–10 passeggeri; gli aerei di linea non usano carburante al piombo.

Equazioni chiave

L=10log⁡10∑10Li/10L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10}
Somma di livelli sonori
ΔL=20log⁡10(r2/r1)\Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
Propagazione sferica
mf=m˙ftm_f=\dot m_ft
Carburante consumato
mCO2=3.16 mfm_{CO_2}=3.16\,m_f
CO₂ per kg di carburante (da manuale)

Esempi svolti passo passo

Esempio 9.1 Due sorgenti da 80 dB insieme?

Mostra i passaggi
  1. 10 log₁₀(2 × 10⁸).

Risposta: 83.0 dB.

Esempio 9.2 Calo di livello raddoppiando la distanza?

Mostra i passaggi
  1. 20 log₁₀ 2.

Risposta: 6.02 dB.

Esempio 9.3 Rullare 10 minuti con un motore invece di due a 0.1 kg/s ciascuno (esempio). Carburante e CO₂ risparmiati?

Mostra i passaggi
  1. 0.1 × 600 = 60 kg.
  2. 60 × 3.16.

Risposta: 60 kg di carburante, circa 190 kg di CO₂.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Dieci sorgenti uguali da 70 dB?

    Mostra la risposta

    80 dB.

  2. Calo quando la distanza quadruplica?

    Mostra la risposta

    12.0 dB.

  3. Carburante per due motori in 10 minuti?

    Mostra la risposta

    120 kg.

  4. Quali aerei usano carburante al piombo (EPA)?

    Mostra la risposta

    Soprattutto aerei a pistoni.

Errori concettuali comuni

  • Mito: I decibel si sommano linearmente.

    In realtà: Si sommano in modo logaritmico.

  • Mito: Le operazioni non possono ridurre le emissioni.

    In realtà: Riducono il carburante già oggi.

  • Mito: Gli aerei di linea bruciano carburante al piombo.

    In realtà: L’EPA dice che gli aerei di linea no.

Flashcard

  • Decibel

    Misura logaritmica del suono.

  • Legge dell’inverso del quadrato

    L’intensità cala con r².

  • Rullaggio con un motore

    Rullare con un solo motore.

  • Discesa continua

    Discesa al minimo senza livellamenti.

  • NOx

    Ossidi di azoto.

  • Avgas

    Benzina avio.

Quiz di autoverifica

1. Two 80 dB…

Mostra la risposta

83.0 dB. +3 dB.

2. Raddoppio della distanza…

Mostra la risposta

−6.02 dB. 20 log 2.

3. CO₂ risparmiata in rullaggio…

Mostra la risposta

≈ 190 kg. 60 × 3.16.

4. Utenti del carburante al piombo…

Mostra la risposta

aerei a pistoni. EPA.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

L’EPA afferma che la maggioranza degli aerei alimentati con carburante al piombo sono aerei a pistoni, che di solito trasportano 2–10 passeggeri, e che i jet per il trasporto commerciale non usano carburante al piombo.

L’EPA ha emesso una determinazione finale secondo cui le emissioni di piombo di alcuni motori aeronautici mettono in pericolo la salute e il benessere pubblici, il che obbliga EPA e FAA a fissare norme.

Su Saving Planets: Soluzioni · Prestazioni dei velivoli

Fonti: U.S. EPA: Regulations for lead emissions from aircraft

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Unità 10 · Settimane 14–15

Percorsi verso lo zero netto

Crescita del traffico, efficienza, SAF, nuovi aerei e compensazioni combinati in scenari verso il 2050.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Proiettare la crescita del traffico.
  • Combinare le riduzioni in modo moltiplicativo.
  • Costruire un semplice scenario a cunei.
  • Discutere gli strumenti di policy.

Concetti chiave

  • Emissioni = traffico × energia per unità di traffico × carbonio per energia.
  • La crescita si compone: il 3% annuo raddoppia il traffico in circa 24 anni (tasso di esempio).
  • Le riduzioni si moltiplicano: (1 − guadagno di efficienza) × (1 − risparmio SAF sul ciclo di vita).
  • Le emissioni residue richiedono nuovi aerei, più SAF o assorbimenti.
  • Il DOE osserva che il CORSIA dell’ICAO limita la CO₂ netta dell’aviazione internazionale ai livelli del 2020 fino al 2035.

Equazioni chiave

E=T×MJT×CO2MJE=T\times\frac{MJ}{T}\times\frac{CO_2}{MJ}
Identità delle emissioni
Tn=T0(1+g)nT_n=T_0(1+g)^n
Crescita del traffico
E′=E(1−a)(1−b)E^\prime=E(1-a)(1-b)
Riduzioni combinate
n2=ln⁡2ln⁡(1+g)n_2=\frac{\ln2}{\ln(1+g)}
Tempo di raddoppio

Esempi svolti passo passo

Esempio 10.1 Il traffico cresce del 3% annuo dal 2026 al 2050 (esempio). Fattore di crescita?

Mostra i passaggi
  1. 1.03²⁴.

Risposta: 2.03.

Esempio 10.2 Con un guadagno di efficienza del 25%, emissioni rispetto a oggi?

Mostra i passaggi
  1. 2.033 × 0.75.

Risposta: 1.52.

Esempio 10.3 Aggiungi SAF con un risparmio del 50% sul ciclo di vita su tutta la flotta.

Mostra i passaggi
  1. 1.525 × 0.5.

Risposta: 0.762, ancora il 76% del livello attuale.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Tempo di raddoppio al 3%?

    Mostra la risposta

    23.4 anni.

  2. Risparmio necessario per passare da 0.762 a 0?

    Mostra la risposta

    Tutto il resto: nuovi aerei, più SAF e assorbimenti.

  3. Anni dal 2026 al 2050?

    Mostra la risposta

    24.

  4. Cosa limita il CORSIA?

    Mostra la risposta

    La CO₂ netta dell’aviazione internazionale ai livelli del 2020 fino al 2035.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Le riduzioni si sommano.

    In realtà: Si moltiplicano.

  • Mito: L’efficienza da sola raggiunge lo zero netto.

    In realtà: La crescita la supera.

  • Mito: Le compensazioni riducono le emissioni al motore.

    In realtà: Compensano altrove.

Flashcard

  • Zero netto

    Emissioni bilanciate da assorbimenti.

  • Cuneo

    Fetta di un piano di riduzione.

  • CORSIA

    Meccanismo di compensazione dell’ICAO.

  • Crescita del traffico

    Aumento dei passeggeri-km.

  • Assorbimento

    Rimuovere CO₂ dall’aria.

  • Scenario

    Insieme coerente di ipotesi.

Quiz di autoverifica

1. Fattore di crescita…

Mostra la risposta

2.03. 1.03²⁴.

2. Con l’efficienza…

Mostra la risposta

1.52. × 0.75.

3. Con anche i SAF…

Mostra la risposta

0.762. × 0.5.

4. Anno obiettivo dello zero netto…

Mostra la risposta

2050. NASA.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il suo Sustainable Flight National Partnership lavora con industria, università e altre agenzie verso l’obiettivo del settore aereo di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050.

Il DOE osserva che il CORSIA dell’ICAO limita la CO₂ netta dell’aviazione internazionale ai livelli del 2020 fino al 2035.

Su Saving Planets: Soluzioni · Capstone Design

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership · U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

Risorse di apprendimento gratuite

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Il laboratorio (Sustainable aviation lab)

Il laboratorio è la parte pratica del corso. Qui è gratuito e solo per esercitarsi, senza crediti.

Ogni laboratorio si svolge in un foglio di calcolo o in una simulazione gratuita, quindi senza rischi legati a carburanti, batterie o idrogeno. Non maneggiare carburanti, batterie o gas in pressione per questo corso. Fai pause dallo schermo, siediti con una buona postura e tieni i cavi lontani dai passaggi.

Riferimento per la sicurezza: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

Laboratorio A: Calcolatore della CO₂ di un volo

Settimana 1

Obiettivo: Costruisci un foglio di calcolo che trasformi il carburante bruciato in CO₂ e CO₂ per passeggero-km.

m=9.75Vm=9.75V
Fattore EIA

Procedimento

  1. Inserisci il carburante in galloni per tre voli di esempio.
  2. Calcola la CO₂ con i 9.75 kg/gal dell’EIA.
  3. Dividi per passeggeri × km.
  4. Confronta voli brevi e lunghi.

Tabella dei dati

Carburante (gal)CO₂ (kg)
10009750
500048,750
20,000195,000

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 5000 × 9.75 = 48,750 kg.
  2. 20,000 × 9.75 = 195,000 kg.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

Legame con il pianeta: EIA: 9.75 kg di CO₂ per gallone di carburante avio. U.S. EIA: Carbon dioxide emissions coefficients

Laboratorio B: L/D e consumo di carburante

Settimana 4

Obiettivo: Osserva come l’efficienza aerodinamica cambia il carburante per un viaggio di 3000 km.

Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)}
Frazione di carburante

Procedimento

  1. Inserisci R = 3000 km, V = 230 m/s, c = 0.6 /h.
  2. Calcola la frazione di carburante per L/D = 15, 17 e 20.
  3. Calcola il risparmio rispetto a L/D = 17.
  4. Aggiungi gli effetti dell’allungamento sulla resistenza indotta.

Tabella dei dati

L/DFrazione di carburante
150.135
170.120
200.103

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 1 − e^(−0.1449) = 0.135.
  2. 1 − e^(−0.1087) = 0.103.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

Legame con il pianeta: Il dimostratore X-plane della NASA prova un progetto aerodinamico ultraefficiente. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Laboratorio C: Esploratore dell’efficienza propulsiva

Settimana 5

Obiettivo: Calcola l’efficienza propulsiva e globale per diverse velocità di scarico.

ηp=2/(1+Ve/V0)\eta_p=2/(1+V_e/V_0)
Rendimento propulsivo

Procedimento

  1. Inserisci V₀ = 230 m/s e η_th = 0.5.
  2. Calcola η_p per V_e = 400, 350 e 300 m/s.
  3. Calcola l’efficienza globale.
  4. Collegala al rapporto di by-pass.

Tabella dei dati

V_e (m/s)η_pη_o
4000.7300.365
3500.7930.397
3000.8680.434

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 2/(1 + 350/230) = 0.793.
  2. 0.5 × 0.793 = 0.397.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

Legame con il pianeta: NASA: Hybrid Thermally Efficient Core sviluppa nuclei di turbina ad alta densità di potenza. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Laboratorio D: Calcolatore di miscele SAF

Settimana 7

Obiettivo: Calcola i risparmi sul ciclo di vita per diverse miscele e riduzioni dei SAF.

s=b×rs=b\times r
Risparmio della miscela

Procedimento

  1. Inserisci miscele del 10%, 30% e 50%.
  2. Inserisci una riduzione SAF sul ciclo di vita del 50%, poi dell’80%.
  3. Calcola il risparmio e la CO₂ risparmiata ogni 1000 galloni.
  4. Confronta con gli obiettivi del Grand Challenge.

Tabella dei dati

MiscelaRisparmio con r = 50%kg di CO₂ risparmiati per 1000 gal
10%5%487.5
30%15%1462.5
50%25%2437.5

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 0.3 × 0.5 = 15%.
  2. 9750 × 0.25 = 2437.5 kg.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

Legame con il pianeta: DOE: i SAF possono essere miscelati dal 10% al 50% a seconda della filiera. U.S. DOE Alternative Fuels Data Center: Sustainable aviation fuel

Laboratorio E: Autonomia di un aereo elettrico

Settimana 10

Obiettivo: Calcola l’autonomia elettrica a batteria per diverse densità energetiche.

R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
Autonomia elettrica

Procedimento

  1. Inserisci η = 0.8, L/D = 15, frazione di batteria 0.3.
  2. Calcola l’autonomia per 250, 400 e 500 Wh/kg.
  3. Confronta con una rotta regionale di 300 km.
  4. Modifica la frazione di batteria.

Tabella dei dati

e (Wh/kg)Autonomia (km)
250330
400529
500661

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 400 × 3600 × 0.8/9.80665 × 15 × 0.3 = 529 km.
  2. 500 Wh/kg raddoppiano l’autonomia ottenuta con 250 Wh/kg.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

MIT OpenCourseWare 16.885J Aircraft Systems Engineering (Fall 2004), Lecture 8: Environmental Factors

Legame con il pianeta: NASA: la propulsione elettrificata può ridurre il consumo di carburante ed energia. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Laboratorio F: Modello a cunei verso lo zero netto

Settimana 14

Obiettivo: Esplora il riscaldamento in PhET Greenhouse Effect, poi costruisci uno scenario aeronautico 2026–2050.

E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)
Emissioni dello scenario

Procedimento

  1. In PhET Greenhouse Effect, aggiungi gas serra e osserva come risponde la temperatura.
  2. Inserisci una crescita del traffico del 3% per 24 anni.
  3. Applica un guadagno di efficienza del 25% e un risparmio SAF del 50%.
  4. Trova il tasso di crescita al quale le due misure mantengono stabili le emissioni.

Tabella dei dati

CasoEmissioni rispetto a oggi
Solo crescita2.03
+ efficienza1.52
+ SAF0.762

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 1.03²⁴ = 2.033.
  2. 2.033 × 0.75 × 0.5 = 0.762.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

PhET: Greenhouse Effect

Legame con il pianeta: NASA: l’obiettivo del settore aereo è zero emissioni nette di carbonio entro il 2050. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

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Serie di esercizi per gli esami

Cronometrati: circa 10 minuti per problema. Poi confronta con le soluzioni complete.

Esercizi di preparazione all’esame intermedio (unità 1–5)

  1. CO₂ da 2000 galloni di carburante avio?

    Mostra la soluzione completa
    1. 2000 × 9.75.

    Risposta: 19,500 kg.

  2. g di CO₂ per passeggero-km per 19500 kg, 150 passeggeri, 1000 km?

    Mostra la soluzione completa
    1. 19,500,000/150,000.

    Risposta: 130 g.

  3. Frazione di carburante per 3000 km con L/D = 15 (valori dell’unità 3)?

    Mostra la soluzione completa
    1. 1 − e^(−0.1449).

    Risposta: 0.135.

  4. η_p con V₀ = 250, V_e = 350 m/s?

    Mostra la soluzione completa
    1. 2/(1 + 1.4).

    Risposta: 0.833.

  5. Risparmio di una miscela al 40% con il 70% di riduzione sul ciclo di vita?

    Mostra la soluzione completa
    1. 0.4 × 0.7.

    Risposta: 28%.

Serie finale di esercizi (unità 1–10)

  1. Cristalli di ghiaccio dopo un taglio del 60% da 10¹⁵ per kg?

    Mostra la soluzione completa
    1. 10¹⁵ × 0.4.

    Risposta: 4 × 10¹⁴ per kg.

  2. Autonomia elettrica con 300 Wh/kg (valori dell’unità 7)?

    Mostra la soluzione completa
    1. 330.4 × 1.2.

    Risposta: Circa 396 km.

  3. Volume di idrogeno liquido per 1000 MJ?

    Mostra la soluzione completa
    1. 1000/8.50.

    Risposta: 118 L.

  4. Tre sorgenti uguali da 75 dB?

    Mostra la soluzione completa
    1. 75 + 10 log₁₀ 3.

    Risposta: 79.8 dB.

  5. Fattore di crescita al 2% per 24 anni?

    Mostra la soluzione completa
    1. 1.02²⁴.

    Risposta: 1.61.

  6. Emissioni rispetto a oggi con crescita del 2%, efficienza del 25% e SAF al 50%?

    Mostra la soluzione completa
    1. 1.608 × 0.75 × 0.5.

    Risposta: 0.603.

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Formulario

mCO2=9.75Vgal, mCO2=3.16mfm_{CO_2}=9.75V_{gal},\ m_{CO_2}=3.16m_f
CO2/pkm=mCO2/(npaxd)\text{CO}_2/\text{pkm}=m_{CO_2}/(n_{pax}d)
Wf/Wi=1−e−Rc/(V L/D), CDi=CL2/(πeAR)W_f/W_i=1-e^{-Rc/(V\,L/D)},\ C_{D_i}=C_L^2/(\pi eAR)
ηp=2/(1+Ve/V0), ηo=ηthηp\eta_p=2/(1+V_e/V_0),\ \eta_o=\eta_{th}\eta_p
s=b rs=b\,r
N=EI mf, N′=N(1−r)N=EI\,m_f,\ N^\prime=N(1-r)
R=(eη/g)(L/D)(mb/m)R=(e\eta/g)(L/D)(m_b/m)
ev=ρem, mH2O=8.94mH2e_v=\rho e_m,\ m_{H_2O}=8.94m_{H_2}
L=10log⁡10∑10Li/10, ΔL=20log⁡10(r2/r1)L=10\log_{10}\sum10^{L_i/10},\ \Delta L=20\log_{10}(r_2/r_1)
E=(1+g)n(1−a)(1−b)E=(1+g)^n(1-a)(1-b)

Costanti

CostanteValore
Gravità standardg = 9.80665 m/s²
CO₂ del carburante avio (EIA)9.75 kg di CO₂ per gallone (21.50 lb)
Potere calorifico del carburante avio (valore da manuale)43 MJ/kg
Potere calorifico dell’idrogeno (valore da manuale)120 MJ/kg
Densità dell’idrogeno liquido (valore da manuale)70.8 kg/m³
Gallone3.785411784 L

Fonte: NIST: CODATA value, standard acceleration of gravity

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Testi e fonti gratuiti

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Glossario

Allungamento
Apertura alare al quadrato divisa per la superficie alare.
Avgas
Benzina avio per motori a pistoni.
Limite di miscelazione
Quota massima di SAF nel carburante avio.
CORSIA
Meccanismo di compensazione del carbonio dell’ICAO.
Scia di condensazione
Scia di condensazione di cristalli di ghiaccio.
Decibel
Misura logaritmica del suono.
Propulsione elettrificata
Potenza elettrica o ibrida per aerei.
Fattore di emissione
CO₂ per unità di carburante.
Intensità energetica
Energia per passeggero-km.
Resistenza indotta
Resistenza causata dalla portanza.
Emissioni sul ciclo di vita
CO₂ dal pozzo alla scia.
Idrogeno liquido
Idrogeno criogenico come carburante.
Fattore di carico
Passeggeri diviso posti.
Zero netto
Emissioni bilanciate da assorbimenti.
Effetti non CO₂
Riscaldamento da scie, NOx e particolato.
Passeggero-km
Un passeggero trasportato per un km.
Rendimento propulsivo
Quota della potenza del getto che produce spinta.
SAF
Carburante sostenibile per l’aviazione.
Fuliggine
Particelle di carbonio nello scarico.
Energia specifica
Energia per unità di massa.

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Griglia di autovalutazione

Non si assegnano voti né crediti. Usala per valutare onestamente a che punto sei in ogni unità.

LivelloCome si presenta
4 · PadronanzaContabilizza gli effetti CO₂ e non CO₂ con unità e riferimenti corretti, combina correttamente le riduzioni e spiega con parole semplici i compromessi tra le opzioni.
3 · CompetenteRisolve le serie di esercizi e d’esame con piccoli errori e controlla le unità.
2 · In sviluppoSegue gli esempi svolti ma confonde la CO₂ di combustione e quella del ciclo di vita, o somma le riduzioni invece di moltiplicarle.
1 · PrincipianteCita risparmi senza riferimenti né unità; deve rivedere le unità.

Pesi suggeriti se vuoi un punteggio

PartePeso
Esercizi20%
Laboratori25%
Serie di esercizi di metà corso25%
Serie di esercizi finale30%

Punta al livello 3 o superiore in ogni unità prima di passare al corso successivo.

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