Il progetto “Escape Flatland” e la rottura con l’architettura planare
Il Dipartimento di Conversione e Stoccaggio dell’Energia della Technical University of Denmark (DTU Energy) ha annunciato il 2 aprile 2026 i risultati del progetto denominato “Escape Flatland”, un programma di ricerca guidato dal Professor Vincenzo Esposito che ha portato alla realizzazione di celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) monolitiche con geometria gyroidale, prodotte mediante stampa 3D ceramica su un sistema Lithoz CeraFab.
Il titolo del progetto riassume con precisione l’obiettivo: uscire dal paradigma bidimensionale che ha dominato lo sviluppo delle SOFC per decenni. Le celle SOFC convenzionali vengono costruite impilando strati planari separati da interconnessioni metalliche e guarnizioni di tenuta, elementi che aggiungono peso, aumentano la complessità costruttiva e rappresentano punti critici dal punto di vista della durata e dell’affidabilità. Il progetto DTU ha ribaltato questo schema: invece di ottimizzare un’architettura planare già nota, il team ha progettato e prodotto una singola cella tridimensionale monolitica, eliminando fisicamente la necessità di interconnessioni e guarnizioni.
La tecnologia di produzione: LCM di Lithoz e il materiale 8YSZ
La realizzazione del componente è stata resa possibile dalla tecnologia LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) di Lithoz GmbH, azienda austriaca con sede a Vienna, considerata uno dei principali produttori mondiali di sistemi di stampa 3D per ceramiche avanzate. Il processo LCM è una variante del DLP (Digital Light Processing) appositamente sviluppata per materiali ceramici ad alte prestazioni: utilizza resine caricate con polvere ceramica che vengono polimerizzate strato per strato tramite luce UV, consentendo di ottenere pareti sottilissime con elevata precisione geometrica e ripetibilità.
Il materiale impiegato è la Zirconia Yttria Fully Stabilized (8YSZ), uno degli elettroliti ceramici più utilizzati e consolidati per le applicazioni SOFC, scelto per le sue proprietà di conduzione degli ioni ossigeno ad alta temperatura, la stabilità chimica e la maturità tecnologica nel settore. La stampante utilizzata è il sistema Lithoz CeraFab, acquisita dal gruppo DTU Energy per questo progetto.
La geometria gyroidale: strutture TPMS ispirate alla natura
La geometria adottata appartiene alla famiglia delle TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces), superfici minime triplicemente periodiche che ricorrono in natura in strutture biologiche come le ali delle farfalle e le spugne marine. Il giroide è una variante di queste superfici caratterizzata da canali intrecciati in tre dimensioni che consentono un flusso di fluidi separato su lati opposti della parete senza che i due flussi si mescolino, proprietà fondamentale per una cella a combustibile in cui idrogeno e ossigeno devono rimanere separati dall’elettrolita.
Questa geometria era già nota nel campo degli scambiatori di calore additivi — Lithoz stessa aveva sviluppato in precedenza scambiatori ceramici per la propulsione idroelettrica nell’ambito del progetto europeo TRIATHLON — e la sua applicazione alle SOFC rappresenta un’estensione naturale di un approccio già validato in un contesto affine. La struttura gyroidale massimizza la superficie attiva dell’elettrolita per unità di massa e volume, e le pareti sottili prodotte con LCM garantiscono sia la tenuta ai gas sia la conducibilità ionica richiesta.
I risultati prestazionali: 1 W g⁻¹ contro 0,2 W g⁻¹
Il dato più significativo comunicato da DTU e Lithoz riguarda il rapporto potenza/peso (power-to-weight ratio): la cella monolitica gyroidale raggiunge valori prossimi a 1 W per grammo, mentre le architetture planari convenzionali si attestano intorno a 0,2 W per grammo. Si tratta di un incremento di cinque volte (500%) rispetto allo stato dell’arte delle SOFC planari commerciali.
Questo risultato deriva dalla combinazione di più fattori: l’eliminazione delle interconnessioni metalliche e delle guarnizioni riduce drasticamente il peso del sistema; le pareti sottili interne massimizzano la superficie attiva; e l’architettura monolitica elimina le inefficienze dovute ai mismatch termici tra materiali diversi nello stack convenzionale. Il team sottolinea che questi guadagni si traducono anche in una riduzione dello stress meccanico e termico, con potenziali benefici sulla durata operativa del dispositivo.
Le dichiarazioni dei protagonisti
Il Professor Vincenzo Esposito, responsabile del progetto presso DTU Energy, descrive il percorso che ha portato a questo risultato:
“Il nostro motto ‘Escaping Flatland’ sembra un passo logico, ma per lungo tempo è stato impossibile da realizzare. La particolare disposizione di materiali e microstrutture richiede un livello di complessità significativamente elevato — ma fino a poco tempo fa ci mancava semplicemente lo strumento per rendere questo concetto una realtà. L’8YSZ rimane uno degli elettroliti più utilizzati e tecnologicamente maturi per le SOFC. Con la sua precisione matura e la scalabilità, la tecnologia LCM di Lithoz ha dimostrato la più alta ripetibilità per queste geometrie TPMS bio-ispirate con le pareti interne più sottili possibili, che soddisfano intrinsecamente i requisiti di alimentazione del gas.”
Johannes Homa, CEO di Lithoz, commenta la rilevanza industriale del risultato:
“Questi elementi [interconnessioni e guarnizioni] sono stati tradizionalmente il punto debole nella ricerca di una maggiore densità di potenza negli stack SOFC planari commerciali. Con il loro innovativo concetto monolitico, questi elementi eliminano la necessità di ottimizzare gradualmente i punti di uscita, aprendo la strada a un ripensamento completo del design delle celle a combustibile.”
Applicazioni previste: trasporti a idrogeno e prospettive di scale-up
Il team di DTU Energy ha concluso la fase di progettazione e test, e il Professor Esposito ha dichiarato l’intenzione di portare il progetto a una scala industriale. L’applicazione target prioritaria indicata dai ricercatori è il settore dei trasporti: veicoli su strada, natanti e, con particolare enfasi, applicazioni aeronautiche, dove il rapporto potenza/peso è un parametro critico.
La cella SOFC funziona riscaldando la struttura ceramica a temperature superiori ai 500 °C: in queste condizioni gli ioni ossigeno vengono prodotti e migrano attraverso l’elettrolita, mentre all’anodo l’idrogeno viene ossidato producendo acqua ed elettroni. La natura ceramica del componente è essenziale per resistere a queste condizioni operative estreme. L’eliminazione degli strati metallici inter-cella apre inoltre possibilità di miniaturizzazione e di integrazione in sistemi di propulsione compatti.
Il ruolo di Lithoz nell’ecosistema della ceramica additiva per l’energia
Lithoz GmbH, fondata a Vienna, è attiva nello sviluppo di sistemi LCM per ceramiche tecniche da oltre un decennio. Oltre al progetto DTU, l’azienda è coinvolta in altri programmi legati alla transizione energetica: il progetto Redox3D, in collaborazione con WZR ceramic solutions GmbH e il DLR (German Aerospace Center), punta alla produzione di idrogeno verde tramite processi termochimici solari con componenti in ossido di cerio stampati in 3D. Il sistema CeraFab S65 è la piattaforma utilizzata in entrambi i progetti.
