AMFlexInj sviluppa iniettori stampati in 3D per turbine capaci di passare da idrogeno a e-fuels

Università di Stoccarda e DLR stanno portando verso la validazione industriale un micro-iniettore metallico additivo capace di gestire combustibili gassosi e liquidi molto differenti, dall’idrogeno al Jet A-1
La transizione energetica pone alle turbine a gas un problema apparentemente semplice ma tecnicamente molto difficile: non sappiamo ancora quale combustibile dominerà nei prossimi decenni. Idrogeno, e-methane, e-methanol, sustainable aviation fuel e combustibili convenzionali possiedono densità, viscosità, velocità di fiamma e caratteristiche di vaporizzazione profondamente differenti. Un sistema di combustione progettato in modo ottimale per il gas naturale non diventa automaticamente altrettanto efficiente e stabile passando all’idrogeno; allo stesso modo un iniettore capace di dosare perfettamente un gas incontra problemi completamente differenti quando deve atomizzare un liquido relativamente viscoso come kerosene o un e-fuel sintetico. Il progetto AMFlexInj – Additiv gefertigte Mikro-Injektionskonzepte als Enabler für brennstoffflexible und emissionsarme Verbrennungssysteme affronta proprio questo problema utilizzando additive manufacturing per costruire microgeometrie di iniezione che sarebbero estremamente difficili da ottenere con tecnologie convenzionali.

Il progetto coinvolge l’Institute of Combustion Technology for Aerospace Engineering e l’Institute for Machine Tools dell’Università di Stoccarda insieme al Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, il DLR. La fase di validazione è partita nel luglio 2026 e continuerà fino al giugno 2029, con circa 1,5 milioni di euro di finanziamento del Ministero federale tedesco per la Ricerca, la Tecnologia e lo Spazio nell’ambito del programma VIP+. L’obiettivo non è quindi sviluppare un semplice dimostratore accademico, ma verificare se il concetto possa compiere il passaggio verso applicazioni più vicine a microturbine, sistemi energetici e potenzialmente propulsione aeronautica.

L’iniettore è molto più importante di quanto suggerisca la sua dimensione
In una camera di combustione la qualità dell’iniezione influenza direttamente il modo in cui combustibile e aria si incontrano. Se la miscelazione è poco uniforme possono formarsi zone localmente molto ricche di combustibile e altre molto povere. Le conseguenze possono comprendere combustione incompleta, maggiore formazione di monossido di carbonio e particolato, aumento della temperatura locale e quindi maggiore produzione di ossidi di azoto.

L’obiettivo dell’iniettore è quindi creare una distribuzione quanto più controllata possibile.

Per un combustibile liquido questo significa soprattutto:
trasformare il liquido in gocce molto piccole → farle evaporare → miscelare il vapore con l’aria → bruciare la miscela.

Per un gas il passaggio di atomizzazione naturalmente non esiste, ma rimane fondamentale controllare:

• portata;
• velocità;
• distribuzione;
• mixing con l’aria.

Più uniforme è la miscela, maggiori sono le possibilità di mantenere la combustione in condizioni favorevoli dal punto di vista delle emissioni.

La difficoltà è che idrogeno e kerosene sembrano quasi appartenere a due mondi differenti
L’idrogeno è un gas estremamente leggero, altamente diffusivo e molto reattivo. Possiede una velocità di fiamma nettamente superiore a quella degli idrocarburi convenzionali ed è capace di bruciare su un ampio intervallo di composizioni.

Questo può creare problemi come:

• flashback;
• autoaccensione;
• elevate temperature locali;
• formazione di NOx.

Un combustibile liquido deve invece essere prima frammentato in gocce.

Kerosene, etanolo o e-methanol differiscono inoltre per:

• viscosità;
• tensione superficiale;
• densità;
• volatilità;
• temperatura di ebollizione.

Progettare un solo sistema capace di comportarsi bene su entrambi i lati di questo spettro rappresenta quindi una sfida notevole.

I risultati scientifici pubblicati nel 2026 mostrano già una fuel flexibility concreta
Il gruppo di Yeonse Kang, Fabian Hampp e collaboratori ha caratterizzato sperimentalmente un micro-iniettore additivo utilizzando:

Questa è una differenza importante rispetto a un semplice progetto che dichiara genericamente compatibilità futura con più combustibili.

Il principio è già stato testato con combustibili reali appartenenti a famiglie fisicamente molto differenti.

Il nuovo progetto AMFlexInj deve ora ampliare e consolidare questo risultato, ottimizzando geometria e parametri di produzione e portando il sistema verso condizioni operative più rappresentative.

La chiave geometrica è una fessura anulare di appena 50 micrometri
Uno dei risultati più interessanti sviluppati dal gruppo riguarda l’iniezione dei combustibili liquidi attraverso una µ-slit anulare, una sottilissima apertura che circonda l’iniettore.

La larghezza nominale è:
50 µm.

Per avere un riferimento, 50 µm equivalgono a:
0,05 mm.

Una normale nozzle FDM da 0,4 mm è quindi circa otto volte più larga.

Questa microfessura genera un sottilissimo film anulare di combustibile liquido che viene investito da un flusso d’aria ad alta velocità.

Le forze aerodinamiche rompono il film trasformandolo in gocce molto piccole.

È una forma di airblast atomization.

Le gocce ottenute sono nell’ordine di circa 20 micrometri
Le misure mediante Phase Doppler Interferometry hanno mostrato dimensioni medie attorno ai 20 µm, mentre la documentazione del progetto parla generalmente di gocce inferiori a circa 25 µm.

Dimensioni così ridotte sono importanti perché il rapporto superficie/volume aumenta enormemente.

Una goccia piccola:

• si scalda rapidamente;
• evapora rapidamente;
• viene trascinata facilmente dal flusso.

Questo abbrevia il tempo necessario alla formazione di una miscela combustibile-aria sufficientemente uniforme.

In una camera compatta significa poter ottenere buona miscelazione in una distanza relativamente breve.

Non è quindi la microfessura in sé a generare direttamente lo spray finale
Il liquido esce sotto forma di un film sottilissimo.

È il flusso d’aria a destabilizzarlo e frammentarlo.

La sequenza è più correttamente:

microcanale → film anulare → interazione aerodinamica → ligamenti → gocce

La progettazione deve quindi controllare contemporaneamente:

• distribuzione del film;
• spessore;
• velocità dell’aria;
• pressione;
• geometria.

Una fessura leggermente irregolare potrebbe produrre più combustibile in una regione e meno in un’altra, generando uno spray asimmetrico.

Ed è proprio qui che il metal 3D printing sembrerebbe inizialmente poco adatto
Il processo utilizzato appartiene alla famiglia PBF/LB-M, Powder Bed Fusion of Metals mediante laser.

Uno strato sottile di polvere metallica viene distribuito sul piano.

Il laser fonde selettivamente le regioni previste.

La piattaforma scende.

Viene steso un nuovo strato.

Il processo continua fino alla costruzione della parte.

L’AM permette di creare:

• canali interni;
• distribuzioni radiali;
• cavità;
• geometrie impossibili da forare.

Ma produce normalmente superfici interne molto più rugose rispetto a un foro lavorato tramite:

• drilling;
• EDM;
• micromachining.

Per un condotto relativamente grande questo può essere tollerabile.

Per un’apertura da poche decine di micrometri diventa un problema centrale.

La rugosità può essere dello stesso ordine di grandezza della feature stessa
Questo è il paradosso tecnico alla base della ricerca.

Se si vuole creare una fessura da 50 µm, piccole:

• particelle parzialmente fuse;
• deviazioni dimensionali;
• asperità;

non sono più dettagli trascurabili.

Possono modificare:

• area effettiva;
• portata;
• pressione;
• distribuzione dello spray.

La soluzione tradizionale sarebbe lavorare la superficie dopo la stampa.

Ma un microcanale interno complesso può essere praticamente inaccessibile agli utensili.

Il gruppo ha quindi progettato l’iniettore affinché funzioni nonostante la rugosità
Questo è probabilmente uno degli aspetti più importanti del lavoro.

Non hanno semplicemente tentato di ottenere con LPBF una copia perfetta di una nozzle microlavorata convenzionalmente.

Hanno ripensato l’architettura tenendo conto delle caratteristiche reali del processo additivo.

La micro-CT del componente ha mostrato una fessura realizzata di circa 52 µm rispetto ai 50 µm nominali.

Non significa che ogni punto della circonferenza misuri esattamente 52 µm.

Ma dimostra che il processo è riuscito a produrre una feature di quell’ordine di grandezza sufficientemente funzionale da ottenere l’atomizzazione desiderata.

Inconel 718 viene utilizzato nei prototipi pubblicati
La micro-slit studiata scientificamente è stata realizzata in Inconel 718, superlega a base nichel ampiamente utilizzata nel settore turbomacchine.

È una scelta logica perché offre:

• buona resistenza ad alta temperatura;
• resistenza meccanica;
• compatibilità consolidata con LPBF.

Ma il materiale non è il centro dell’innovazione.

Il valore principale risiede nell’architettura interna e nella capacità di controllare la distribuzione del combustibile.

Una parte identica realizzata in una lega eccellente ma con una distribuzione irregolare del flusso avrebbe prestazioni molto inferiori.

Il micro-iniettore sfrutta una caratteristica tipica dell’AM: trasformare canali interni in funzione attiva
Con lavorazioni tradizionali il percorso del combustibile deve generalmente essere:

• forabile;
• assemblabile;
• accessibile.

Questo introduce vincoli geometrici.

La produzione additiva permette invece di costruire internamente:

• manifold;
• camere di distribuzione;
• microcanali;
• fessure anulari.

Il combustibile può essere distribuito radialmente prima ancora di raggiungere l’uscita.

Questo consente di controllare molto meglio dove viene introdotto nella camera.

L’obiettivo non è semplicemente fare più fori
Un iniettore convenzionale potrebbe teoricamente utilizzare un gran numero di piccoli fori.

Ma ogni foro deve essere:

• prodotto;
• controllato;
• collegato al circuito interno.

Una fessura anulare continua permette una distribuzione circumferenziale molto più uniforme.

Il lavoro scientifico mostra proprio una tendenza verso uno scarico statisticamente più isotropo lungo la circonferenza.

In termini pratici significa ridurre zone nelle quali lo spray è più ricco e altre nelle quali è più povero.

Uniformità radiale significa maggiore controllo della fiamma
Se il combustibile viene distribuito in modo simmetrico, anche la successiva:

• evaporazione;
• miscelazione;
• combustione;

può risultare più uniforme.

Il beneficio non è solamente estetico.

Una flame shape asimmetrica può produrre:

• hotspot;
• temperature non uniformi;
• maggiore stress termico sulla camera.

Nelle turbine questi fenomeni possono influenzare anche i componenti downstream.

La qualità dell’iniezione è quindi collegata all’intero comportamento della turbina.

Il concetto viene combinato con una combustione jet-stabilised
Il lavoro nasce da ricerca sviluppata su sistemi ad alta quantità di moto e concetti affini a FLOX/MILD combustion.

L’idea generale è evitare una piccola fiamma classica fortemente concentrata immediatamente all’uscita dell’iniettore.

Il combustibile e l’aria vengono introdotti con elevate velocità, generando:

• ricircolazione;
• mixing;
• diluizione.

La reazione può quindi svilupparsi in una regione più distribuita.

Una combustione più distribuita può ridurre:

• hotspot;
• picchi termici;
• formazione termica di NOx.

NOx e fuliggine nascono però attraverso meccanismi molto diversi
È utile distinguere i due problemi.

La fuliggine richiede combustibile contenente carbonio.

Può formarsi quando esistono regioni localmente ricche e insufficientemente ossigenate.

L’idrogeno non contiene carbonio e quindi non produce fuliggine carboniosa.

Gli NOx, invece, possono essere prodotti anche bruciando idrogeno perché l’azoto proviene principalmente dall’aria.

A temperature elevate:
N₂ + O₂ → reazioni che generano NOx.

Quindi:
idrogeno ≠ zero emissioni inquinanti.

Può eliminare la CO₂ direttamente associata al carbonio del combustibile, ma la gestione degli NOx rimane un problema importante.

Anzi, l’elevata reattività dell’idrogeno rende particolarmente importante controllare la temperatura locale
L’idrogeno possiede:

• alta velocità di fiamma;
• ampio campo di infiammabilità.

Questo permette combustione molto magra.

Ma può anche aumentare il rischio di reazioni rapide e hotspot.

Una strategia che migliora il mixing e distribuisce la zona di reazione può quindi essere particolarmente utile.

Nei test pubblicati l’idrogeno ha mostrato una notevole stabilità su regimi a bassa e alta quantità di moto.

È un risultato interessante per il concetto di fuel-flexible burner.

La stabilità della fiamma è fondamentale quanto le emissioni
Una combustione estremamente pulita è inutile se la fiamma si spegne quando:

• diminuisce il carico;
• cambia combustibile;
• cambia temperatura dell’aria.

Le turbine devono lavorare attraverso un range operativo.

Questo range è particolarmente importante nelle future reti energetiche.

Una turbina utilizzata per compensare:

• fotovoltaico;
• eolico;

potrebbe essere chiamata a cambiare rapidamente potenza.

Serve quindi load flexibility oltre alla fuel flexibility.

Il concetto sviluppato a Stoccarda cerca di ottenere entrambe
Il programma di test varia parametri come:

• velocità dei jet;
• fuel loading;
• temperatura di preriscaldamento;
• combustibile.

Questo permette di costruire una mappa operativa.

Non basta dimostrare:
“la fiamma si accende con H₂”.

Serve capire:

• fino a quale potenza;
• a quale pressione;
• con quale stabilità;
• con quali emissioni.

Il progetto AMFlexInj nasce proprio per portare questa caratterizzazione verso condizioni più applicative.

I test esistenti non equivalgono infatti a una turbina commerciale funzionante
È una distinzione fondamentale.

Il micro-iniettore ha già dimostrato:

• atomizzazione;
• distribuzione;
• combustione di diversi combustibili.

Ma gli stessi ricercatori specificano che finora il sistema si è dimostrato soprattutto in condizioni di laboratorio.

La nuova fase prevede:

• ulteriore ottimizzazione della geometria;
• ottimizzazione dei parametri LPBF;
• costruzione di prototipi;
• test presso DLR in condizioni più vicine alla realtà.

È quindi una tecnologia sperimentale avanzata.

Non un retrofit già disponibile a catalogo.

Anche il concetto di retrofit deve essere considerato un obiettivo
L’idea è particolarmente interessante.

Se il nuovo iniettore potesse essere adattato alle camere di combustione esistenti, alcune turbine potrebbero essere convertite a combustibili differenti senza sostituire l’intero sistema.

Dal punto di vista economico potrebbe essere molto più interessante che:
smantellare turbina → acquistare nuova turbina.

Ma un retrofit reale richiede verifiche molto più estese:

• geometria di montaggio;
• pressione;
• portata;
• temperatura;
• controllo;
• vibrazioni;
• durability.

La compatibilità fisica dell’iniettore è soltanto uno dei requisiti.

Cambiare combustibile modifica l’intera termodinamica del sistema
L’idrogeno possiede un potere calorifico per unità di massa molto elevato ma una densità estremamente bassa.

Per fornire la stessa potenza possono cambiare:

• portata volumetrica;
• pressure drop;
• valvole;
• piping.

Un combustibile liquido introduce:

• pompa;
• atomizzazione;
• evaporazione.

Quindi un iniettore fuel-flexible è una componente fondamentale, ma non trasforma automaticamente qualsiasi turbina a gas naturale in una turbina universalmente alimentabile.

Il retrofit deve essere analizzato a livello di sistema.

Anche il controllo elettronico deve conoscere il combustibile
Un sistema di combustione deve regolare:

• portata;
• air/fuel ratio;
• temperatura;
• accensione.

Passare da CH₄ a H₂ cambia la relazione tra:

• portata massica;
• energia;
• dinamica della fiamma.

La stessa posizione di una valvola non corrisponde allo stesso output termico.

L’iniettore può accettare più fuel.

Il controller deve comunque sapere come utilizzarli.

L’incertezza sul combustibile futuro è precisamente la ragione per cui questa flessibilità può avere valore
Il problema della transizione energetica non è soltanto tecnologico.

È anche industriale.

Un produttore che installa oggi una turbina può trovarsi davanti, nei prossimi vent’anni, a disponibilità differenti di:

• idrogeno;
• biometano;
• e-methane;
• methanol;
• SAF.

Costruire infrastrutture rigidamente legate a un unico combustibile crea un rischio.

Un sistema capace di adattarsi può avere valore anche se non utilizza immediatamente tutti i fuel previsti.

Non tutti gli e-fuels sono però climaticamente neutri per definizione
Il termine e-fuel indica un combustibile sintetico prodotto utilizzando energia elettrica, generalmente attraverso idrogeno ottenuto per elettrolisi.

Per combustibili contenenti carbonio serve anche una sorgente di CO₂.

L’effettivo bilancio climatico dipende quindi da:

• origine dell’elettricità;
• origine della CO₂;
• efficienza del processo;
• trasporto.

Bruciare e-methanol o e-kerosene produce comunque CO₂ allo scarico.

La neutralità potenziale deriva dal fatto che quella CO₂ era stata precedentemente sottratta a un ciclo atmosferico o biogenico e che l’energia di sintesi proviene da fonti a basse emissioni.

È quindi molto diverso da dire:
“e-fuel = nessuna emissione di CO₂”.

L’idrogeno è diverso perché non contiene carbonio
La reazione ideale:
H₂ + O₂ → H₂O

non produce CO₂.

Ma l’impatto climatico complessivo dipende naturalmente da come l’idrogeno viene prodotto.

Idrogeno ottenuto da:

• steam methane reforming senza cattura;

ha un’impronta molto differente da idrogeno prodotto:

• mediante elettrolisi alimentata da rinnovabili.

Il burner non distingue l’origine del fuel.

La valutazione ambientale sì.

Anche il methanol presenta vantaggi e difficoltà differenti
Rispetto all’idrogeno è un liquido a condizioni ambiente.

Questo semplifica:

• stoccaggio;
• trasporto.

Ma deve essere:

• atomizzato;
• vaporizzato.

La possibilità di utilizzare un singolo concetto di iniettore per combustibili gassosi e liquidi è quindi particolarmente interessante proprio perché evita di dover separare completamente le due architetture.

I test con etanolo aiutano a studiare il comportamento dei liquidi più volatili
Nel lavoro sperimentale, etanolo e Jet A-1 mostrano anche effetti legati al preriscaldamento.

A temperature elevate una parte del liquido può iniziare a vaporizzare prima di arrivare all’uscita.

Questo cambia:

• density;
• pressure drop;
• flow.

Il fenomeno di pre-vaporisation è importante perché il microcanale contiene una quantità molto piccola di fluido.

Una transizione di fase prematura può alterare drasticamente la portata.

Un sistema multi-fuel deve quindi funzionare anche attraverso cambiamenti di fase differenti
Per un gas:
nessuna atomizzazione.

Per un liquido freddo:
film → spray → evaporazione.

Per un liquido molto caldo:
possibile vaporizzazione già nel sistema di alimentazione.

Progettare il micro-iniettore significa quindi gestire una gamma molto ampia di regimi fluidodinamici.

È proprio questa complessità a rendere il concetto interessante dal punto di vista scientifico.

La pressione disponibile rappresenta un altro parametro importante
Una nozzle molto piccola può generare atomizzazione efficace, ma se produce un enorme pressure drop diventa poco interessante.

La pompa o il sistema di alimentazione dovrebbe fornire molta più pressione.

Questo consuma energia e complica l’impianto.

La ricerca sul µ-slit riporta invece la produzione delle gocce fini mantenendo un pressure drop relativamente contenuto.

È un punto essenziale.

La dimensione della goccia non può essere ottimizzata ignorando il costo energetico necessario a crearla.

La relazione tra portata e rugosità è particolarmente delicata nei microcanali
In un normale tubo da centimetri, una asperità da 20 µm rappresenta una parte quasi trascurabile del diametro.

In una fessura da 50 µm può essere enorme.

La rugosità relativa:
roughness / hydraulic diameter

cresce drasticamente.

Questo modifica:

• attrito;
• discharge coefficient;
• distribuzione.

Il progetto deve quindi caratterizzare non soltanto la dimensione nominale, ma la geometria realmente ottenuta dal processo.

La micro-CT è particolarmente utile proprio perché l’uscita è praticamente impossibile da misurare con metodi normali
Con una feature interna nell’ordine delle decine di micrometri è difficile utilizzare:

• calibro;
• CMM;
• profilometro tradizionale.

La X-ray computed tomography permette invece di ricostruire il volume interno senza sezionare il pezzo.

È quindi possibile confrontare:
CAD → as-built geometry.

Per applicazioni di microfluidica additiva questa capacità di metrologia è quasi altrettanto importante della stampante stessa.

Il valore dell’AM aumenta perché geometria e processo possono essere sviluppati insieme
Un approccio convenzionale potrebbe imporre:
disegnare la nozzle → trovare un modo per produrla.

Qui avviene invece:
studiare il comportamento del LPBF → progettare una nozzle che sfrutti quel comportamento.

È vero Design for Additive Manufacturing.

La rugosità non è semplicemente un difetto da eliminare.

È una condizione di partenza della progettazione.

In ricerche precedenti il gruppo ha perfino utilizzato difetti controllati del processo come feature funzionali
L’attività dell’IVLR e dell’Institute for Machine Tools comprende studi su microstrutture e permeabilità create direttamente attraverso i parametri LPBF.

In alcuni concetti l’obiettivo non è ottenere un componente completamente denso.

È generare una struttura con permeabilità progettata.

I parametri:

• laser energy;
• scan speed;
• orientation;
• hatch distance;

diventano quindi strumenti per creare una funzione fluidodinamica.

È una filosofia molto interessante perché rompe la normale equivalenza:
porosità = difetto.

In una struttura correttamente progettata la porosità può diventare:
microcanale distribuito.

AMFlexInj nasce da questa convergenza tra combustion engineering e manufacturing engineering
Il progetto non potrebbe essere sviluppato soltanto da specialisti di combustione.

Serve comprendere:

• LPBF;
• metrologia;
• process parameter.

Allo stesso modo un esperto AM non potrebbe progettare da solo la combustione.

Serve comprendere:

• spray;
• ignition;
• NOx;
• flame stability.

Il valore deriva proprio dalla combinazione dei due mondi.

È anche il principio generale del programma tedesco HyCAM, che cerca di collegare additive manufacturing e conversione termochimica di combustibili basati sull’idrogeno.

La ricerca sull’ammoniaca rappresenta un altro ramo della stessa strategia
L’Università di Stoccarda lavora anche su sistemi nei quali l’ammoniaca viene:

• parzialmente decomposta;
• trasformata in una miscela NH₃/H₂/N₂;
• successivamente bruciata.

L’additive manufacturing viene utilizzato sia per:

• reformer;
• micro-mixer;
• burner.

L’ammoniaca è interessante perché può fungere da vettore di idrogeno molto più facilmente trasportabile dell’H₂ gassoso.

Ma è anche un combustibile difficile:

• lenta velocità di fiamma;
• tossicità;
• rischio di NH₃ slip;
• formazione di NOx.

AMFlexInj non equivale a questo progetto, ma appartiene allo stesso contesto tecnologico.

La fuel flexibility può aumentare anche la resilienza energetica
Questo è uno degli argomenti portati dal team.

Una turbina rigidamente dipendente da una singola fonte di fuel può diventare vulnerabile a:

• prezzo;
• disponibilità;
• geopolitica.

Una piattaforma compatibile con più combustibili può teoricamente passare a quello disponibile.

Naturalmente non significa che la turbina possa essere alimentata casualmente con qualsiasi liquido.

Ogni fuel richiede:

• controllo;
• verifica;
• limiti operativi.

Ma una combustor architecture progettata fin dall’inizio per un ampio range riduce la dipendenza da un’unica soluzione.

Questo potrebbe essere particolarmente importante nelle microturbine
Le microturbine possono essere utilizzate per:

• CHP;
• microgrid;
• industrial sites;
• generatori distribuiti.

In questi contesti possono diventare un complemento alle rinnovabili.

Quando:

• vento cala;
• fotovoltaico non produce;

una turbina dispatchable può fornire potenza.

In futuro quella turbina potrebbe trovarsi in un sito con:

• biogas;
• H₂;
• e-methanol.

La capacità di adattarsi aumenta il numero di casi d’uso.

Ma non bisogna confondere flessibilità con efficienza equivalente su ogni fuel
Un sistema può essere capace di bruciare:

• H₂;
• CH₄;
• ethanol;
• Jet A-1.

Questo non significa che raggiunga con tutti:

• stesso rendimento;
• stesse emissioni;
• stessa potenza.

Il concetto di fuel flexibility significa mantenere un funzionamento sufficientemente stabile e controllato su un ampio range.

L’ottimo può comunque cambiare da combustibile a combustibile.

È proprio una delle cose che il progetto deve misurare.

Anche il termine “clean combustion” deve essere utilizzato con cautela
Le prove di laboratorio mostrano combustione molto pulita in determinate condizioni.

Ma le emissioni reali di una turbina dipendono da:

• pressione;
• temperatura;
• load;
• residence time;
• combustibile.

I futuri test DLR sono quindi essenziali.

Un risultato ottenuto in un atmospheric laboratory burner non può essere automaticamente trasferito a una turbina industriale pressurizzata.

È necessario aumentare gradualmente il Technology Readiness Level.

La pressione cambia infatti la chimica e l’atomizzazione
A pressioni più alte cambiano:

• densità dell’aria;
• evaporazione;
• reaction rates;
• flame stabilization.

La stessa nozzle può quindi comportarsi differentemente.

Per questo le facilities del DLR, con esperienza su combustori ad alta pressione e jet-stabilized combustion, rappresentano una parte fondamentale del progetto di validazione.

Il prossimo grande passaggio sarà quindi dal “funziona” al “funziona in modo ripetibile in condizioni rilevanti”
La ricerca ha già dimostrato la prima parte.

La seconda richiede:

• durata;
• cicli termici;
• pressure;
• fuel changes;
• reliability.

È una barriera molto più difficile.

Un iniettore per turbina non deve funzionare per:
30 minuti di test.

Deve poter funzionare per:
migliaia di ore.

Le microfeature LPBF devono quindi dimostrare anche la propria stabilità nel tempo
Una fessura da 50 µm potrebbe essere sensibile a:

• ossidazione;
• deposito;
• contaminazione;
• coke;
• erosione.

Se la sezione cambia anche leggermente, la distribuzione del combustibile potrebbe cambiare.

Per i combustibili liquidi questo è particolarmente importante.

Il comportamento a lungo termine sarà quindi una delle questioni centrali prima di arrivare alla produzione.

Anche la pulibilità è un problema industriale concreto
Un foro convenzionale relativamente grande può essere:

• ispezionato;
• pulito.

Un microcanale interno additivo può essere molto più difficile da raggiungere.

Un design commerciale dovrà quindi considerare:

• filtrazione del fuel;
• contamination tolerance;
• maintenance.

La libertà geometrica additiva non deve produrre un componente impossibile da gestire durante la vita operativa.

La qualità produttiva dovrà inoltre essere estremamente controllata
Se una variazione di pochi micrometri modifica la portata, ogni batch deve mantenere:

• dimensione;
• rugosità;
• permeabilità.

Questo significa qualificare:

• macchina;
• polvere;
• laser;
• orientamento;
• post-processing.

Il fatto che una nozzle abbia funzionato una volta non dimostra ancora che cento nozzle produrranno la stessa distribuzione.

È qui che il manufacturing engineering diventa decisivo.

La stessa rugosità che oggi viene tollerata deve essere resa ripetibile
Questo sembra quasi contraddittorio.

Il sistema è progettato per funzionare nonostante una superficie rugosa.

Ma non può funzionare se quella rugosità cambia in modo incontrollato da parte a parte.

Quindi il requisito non è necessariamente:
superficie perfettamente liscia.

Può diventare:
superficie imperfetta ma statisticamente controllata.

È un principio molto comune nell’industrializzazione AM.

La riduzione dei costi dichiarata dal progetto deve essere ancora dimostrata a livello di sistema
L’idea è convincente.

Se:

• combustor;
• injector;

possono essere prodotti nello stesso ecosistema LPBF, si possono ridurre:

• lavorazioni;
• assemblaggi;
• componenti.

Ma il metal AM rimane un processo relativamente costoso.

Per dimostrare un reale vantaggio economico bisognerà confrontare:
part cost + assembly + inspection + performance + lifetime.

Non semplicemente:
tempo stampa vs tempo machining.

L’integrazione può essere il vero vantaggio economico
Un iniettore convenzionale può essere formato da numerose parti:

• nozzle;
• tube;
• manifold;
• housing.

L’AM può integrare molte di queste funzioni in un singolo componente.

Il vantaggio diventa:

• meno giunti;
• meno saldature;
• meno assemblaggio;
• minore tolerance stack.

In un sistema ad alta temperatura eliminare giunti può anche ridurre potenziali failure point.

È questa logica di part consolidation che spesso giustifica il metal AM molto più del semplice costo al chilogrammo.

La miniaturizzazione è un altro vantaggio fondamentale
Il team dichiara di aver trasferito a sistemi compatti un principio funzionale conosciuto nelle turbine aeronautiche.

Ridurre scala non significa semplicemente fare un componente identico più piccolo.

Quando le dimensioni diminuiscono:

• surface/volume ratio cambia;
• Reynolds number cambia;
• heat loss cambia;
• pressure drop cresce.

Una nozzle che funziona perfettamente in una grande turbina può non funzionare quando viene miniaturizzata.

Le microstrutture additive permettono di ridisegnare il principio invece di scalarlo geometricamente.

È qui che il LPBF offre qualcosa che micromachining convenzionale fatica a replicare
Una microfessura semplice potrebbe essere realizzata anche attraverso processi convenzionali.

Il problema è creare contemporaneamente:

• fessura;
• distribuzione interna;
• canali;
• manifolding;

all’interno di un unico pezzo compatto.

La difficoltà non è la singola feature.

È l’architettura tridimensionale completa.

L’AM permette di distribuire il fuel dall’interno verso una corona continua senza dover assemblare numerosi elementi.

Il concetto può avere applicazioni anche oltre le turbine energetiche
La pubblicazione scientifica individua potenziali applicazioni in:

• industrial burners;
• micro gas turbines;
• hybrid aero-engine systems.

I requisiti saranno differenti.

Un burner industriale privilegia:

• costo;
• robustezza.

Un microturbogeneratore:

• compattezza;
• flessibilità.

Un propulsore aeronautico:

• massa;
• safety;
• qualification.

La stessa architettura di base potrebbe quindi evolvere in prodotti differenti.

Non significa che la nozzle attuale possa essere semplicemente copiata in un motore aeronautico
Aerospace richiede:

• qualification;
• high pressure testing;
• vibration;
• thermal cycling;
• fatigue;
• material traceability.

La ricerca fornisce un concetto promettente.

Il percorso verso una parte flight-qualified sarebbe molto più lungo.

È importante separare:
applicabilità concettuale
da
prodotto certificato.

AMFlexInj termina nel 2029 proprio perché questa fase richiede tempo
Tre anni per un progetto di validazione indicano che non si tratta semplicemente di stampare una nuova revisione.

Serve costruire un corpo di evidenze.

I ricercatori dovranno correlare:

• parametri LPBF;
• geometria as-built;
• spray;
• combustione;
• emissioni.

La catena completa può essere schematizzata:

parametri di stampa → geometria reale → flusso → atomizzazione → mixing → fiamma → emissioni

È un problema multidisciplinare molto più complesso di una normale ottimizzazione dimensionale.

L’AI viene già utilizzata in parte della caratterizzazione dello spray
Le attività precedenti del gruppo hanno utilizzato machine learning per analizzare immagini dello spray e identificare:

• fuel film;
• strutture di atomizzazione.

Questo permette di trattare grandi quantità di immagini sperimentali in modo più sistematico rispetto all’analisi manuale.

Il gruppo parla di un approccio definito hybrid twin, nel quale:

• additive manufacturing;
• test standardizzati;
• data analysis;
• ottimizzazione;

vengono collegati in un ciclo iterativo.

Non si tratta di una turbina controllata da “AI”.

È un utilizzo dell’analisi dati per accelerare lo sviluppo del componente.

Questo può ridurre il numero di iterazioni fisiche necessarie
Lo spazio dei parametri è enorme.

Si possono modificare:

• laser power;
• scan speed;
• hatch distance;
• geometria;
• slit;
• air velocity.

Provare ogni combinazione sperimentalmente sarebbe troppo costoso.

Un modello data-driven può aiutare a identificare le zone promettenti dello spazio progettuale.

L’esperimento rimane comunque necessario per validare il risultato.

L’iniettore rappresenta quindi quasi un caso ideale di Design for Additive Manufacturing
Non avrebbe molto senso stampare in 3D una semplice nozzle convenzionale soltanto per sostituire il CNC.

Il valore appare quando il processo permette:

• microcanali interni;
• distribuzione anulare;
• part consolidation;
• geometria non accessibile agli utensili.

In quel punto la parte non è semplicemente:
prodotta diversamente.

È:
progettata diversamente perché esiste la stampa 3D.

È la condizione nella quale l’AM tende a generare il massimo vantaggio.

Anche il retrofit può beneficiare della libertà geometrica
Una vecchia turbina possiede:

• envelope;
• flange;
• interfacce già definite.

Un componente additivo può essere progettato internamente con grande libertà mantenendo all’esterno le geometrie necessarie per l’integrazione.

Questo permette teoricamente di inserire una nuova fluidodinamica all’interno di uno spazio già esistente.

È uno dei casi più interessanti di AM come tecnologia per aggiornare asset esistenti.

Ma il retrofit non rende automaticamente vecchia una turbina “hydrogen-ready”
Anche questa espressione viene spesso usata troppo facilmente.

Per funzionare realmente a idrogeno possono essere necessari interventi su:

• fuel supply;
• valve;
• piping;
• safety;
• combustor;
• control;
• turbine temperature management.

Il nuovo injector può risolvere una parte fondamentale del problema.

Non tutto il problema.

La stessa prudenza vale per l’idea di “zero emission turbine”
Una turbina alimentata con green hydrogen può eliminare la CO₂ legata al combustibile.

Può comunque generare:

• NOx.

Una turbina alimentata con e-methanol può produrre:

• CO₂;
• NOx;
• CO;

anche se il bilancio climatico del fuel può risultare molto inferiore a quello fossile lungo il ciclo di vita.

L’obiettivo tecnico corretto è quindi:
combustione a basse emissioni con combustibili a basso o nullo contenuto fossile.

Non emissioni fisicamente pari a zero.

Il progetto è particolarmente interessante perché non scommette su un singolo vincitore energetico
Molte tecnologie di transizione sono costruite attorno a una previsione:
il futuro sarà H₂
oppure
il futuro sarà e-methanol.

AMFlexInj segue una strada differente.

Parte dall’incertezza.

Il sistema deve essere abbastanza flessibile da adattarsi a più scenari.

Dal punto di vista dell’ingegneria industriale può essere una strategia molto più robusta.

Una microturbina installata nel 2030 potrebbe infatti lavorare ancora nel 2050
Durante vent’anni:

• infrastrutture cambiano;
• costo dell’idrogeno cambia;
• disponibilità di e-fuel cambia;
• normative cambiano.

Una macchina rigidamente progettata attorno a un singolo fuel rischia di diventare prematuramente obsoleta.

Una piattaforma adattabile può invece seguire la transizione.

È questo il vero significato industriale della fuel flexibility.

L’additive manufacturing è importante perché rende economicamente possibile questa complessità geometrica
Una nozzle capace di funzionare con più combustibili potrebbe teoricamente essere prodotta anche con tecnologie tradizionali assemblando:

• molte parti;
• microforature;
• brasature.

Ma il costo e la complessità crescerebbero rapidamente.

L’AM consente di incorporare la complessità nel file.

Il laser non “fatica” concettualmente perché un canale:

• curva;
• si divide;
• si ricongiunge.

Il costo non è completamente indipendente dalla geometria, ma lo è molto più che in molti processi sottrattivi.

Questo permette di utilizzare la geometria come strumento di controllo della combustione
È probabilmente il punto più importante.

L’iniettore non è soltanto una tubazione che porta fuel.

La geometria decide:

• pressione;
• distribuzione;
• film;
• droplet.

Quindi modifica direttamente:

• mixing;
• flame;
• emissioni.

L’AM diventa parte della combustione stessa.

È un esempio estremamente chiaro di come la manifattura additiva possa influenzare le prestazioni fisiche di una macchina molto più profondamente della semplice riduzione del peso.

I risultati attuali sono promettenti proprio perché esiste già una dimostrazione sperimentale multi-fuel
Non stiamo aspettando il 2029 per sapere se una µ-slit additiva possa atomizzare un liquido.

Questo è già stato dimostrato.

Non stiamo aspettando per sapere se il concetto possa funzionare con H₂ e combustibili liquidi.

Sono già stati pubblicati test con:

• H₂;
• CH₄;
• ethanol;
• Jet A-1.

Ciò che rimane da dimostrare è più difficile:
industrializzabilità.

La domanda dei prossimi tre anni sarà quindi quanto il risultato di laboratorio possa essere scalato senza perderne i vantaggi
Gli indicatori più interessanti saranno:

• ripetibilità delle µ-slit;
• durata;
• pressure operation;
• emissions map;
• fuel transition;
• costi;
• retrofit feasibility.

Se questi punti verranno confermati, AMFlexInj potrebbe offrire un caso particolarmente forte di additive manufacturing nell’energia.

Non perché permetta semplicemente di stampare un burner.

Ma perché permette di costruire una microarchitettura fluidodinamica sufficientemente complessa da rendere una stessa piattaforma di combustione compatibile con fuel che oggi richiedono soluzioni molto differenti.

È una differenza importante rispetto alla semplice sostituzione di una parte convenzionale con una parte AM
Il vero valore non sarà:
iniettore tradizionale lavorato → stesso iniettore stampato.

Sarà piuttosto:
iniettore specializzato per un combustibile → architettura additiva adattabile a più combustibili.

Se il progetto riuscirà a dimostrare questo passaggio in condizioni realistiche, il vantaggio potrebbe riguardare contemporaneamente:

• costi;
• supply chain;
• retrofit;
• resilienza energetica.

Ed è precisamente qui che l’additive manufacturing può diventare una tecnologia abilitante per la transizione energetica anziché un semplice metodo alternativo di produzione.

La µ-slit da 50 micrometri è quindi soltanto il dettaglio più visibile di un problema molto più ampio. Attraverso quella minuscola apertura il gruppo di Stoccarda sta cercando di dimostrare che una turbina del futuro non debba necessariamente sapere oggi quale sarà il proprio combustibile tra vent’anni.

Se AMFlexInj riuscirà a mantenere basse emissioni, elevata densità di potenza e stabilità passando realmente tra fuel gassosi e liquidi in condizioni operative realistiche, la caratteristica più importante del nuovo iniettore non sarà essere stampato in 3D, ma permettere alla turbina stessa di diventare meno dipendente dal combustibile per il quale era stata originariamente progettata.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).