I cuscinetti di un qualsiasi sistema meccanico sono generalmente lubrificati con svariate tipologie di oli. Tuttavia, gran parte di questi sono di difficile smaltimento. Il Dipartimento per la meccanica dei materiali IWM dell’Istituto Fraunhofer ha sviluppato un metodo che consentirà di lubrificare i cuscinetti a scorrimento con acqua, un approccio assolutamente ecosostenibile.
I cuscinetti sono generalmente trattati con lubrificanti a base di olio minerale, prevenendo l’usura dello stesso da contatto metallico su metallo, secondo le teorie del contatto hertziano. In Germania, ogni anno, vengono utilizzati circa un milione di tonnellate di lubrificante, ne consegue, quindi, che la produzione, l’applicazione e lo smaltimento dell’olio costituiscono un onere importante per l’ambiente.
L’introduzione di lubrificanti a base acquosa sarebbe di grande beneficio per la protezione dell’ambiente. Il fatto, però, che le parti metalliche si corrodano quando entrano in contatto con l’acqua è stato un grosso ostacolo.
Un gruppo di lavoro del Fraunhofer IWM di Friburgo è riuscito a utilizzare degli additivi particolari, che variano la costituzione chimica dell’acqua in modo tale da poter essere utilizzata come lubrificante.
Ciò ha significato un doppio successo per Tobias Amann e i suoi colleghi del Fraunhofer IWM: in primo luogo, la lubrificazione ottenuta è molto più efficiente, avendo l’acqua una viscosità molto diversa rispetto a quella del petrolio. Non si dimentichi, inoltre, che la corrosione verrebbe ridotta ai minimi termini.
I ricercatori hanno elaborato i dettagli del loro processo utilizzando un cuscinetto a scorrimento, un piccolo meccanismo simile ad un anello che circonda un albero rotante in acciaio. L’anello è composto da diversi strati strutturati dall’esterno verso l’interno come segue: un manicotto che circonda il cuscinetto, uno strato di alluminio e uno strato di metallo sinterizzato che circonda l’albero stesso. Il trucco è che lo strato sinterizzato interno è attraversato da un piccolo canale che fa scorrere l’acqua tra l’albero rotante e lo strato esterno di alluminio. Questa connessione diretta è decisiva nel processo elettro-chimico, basato sul fatto che tra un metallo di base come l’alluminio e un metallo di base ferrosa (acciaio) sorge una tensione elettrica, anche senza l’applicazione diretta di un campo elettrico esterno. Una schematizzazione di quanto spiegato è riportata in Figura 1, nella quale è presente una sezione dei vari strati costituenti il cuscinetto di cui sopra.
Trasformare l’acqua in lubrificante
I ricercatori usano questa tensione elettrica che si forma tra l’alluminio nel cuscinetto a scorrimento e il ferro nell’albero per trasformare l’acqua in un lubrificante. «Mescoliamo i cosiddetti liquidi ionici nell’acqua – spiega Tobias Amann –. I liquidi ionici sono sali fluidi che contengono anioni e cationi». Questi ioni sono riorganizzati nel campo elettrico e quindi raccolti sul lato interno dell’anello metallico sinterizzato, in modo che le loro estremità siano rivolte verso l’alto, ovvero verso l’albero rotante. Questo forma una sorta di strato protettivo generato galvanicamente su cui l’albero può scivolare minimizzando al massimo l’usura relativa.
Il team di ricerca ha già dimostrato la fattibilità del processo. Amann e il suo team sono attualmente alla ricerca di partner nel settore con cui intendono ottimizzare ulteriormente i liquidi ionici. «L’unico problema è che il movimento dell’albero genera calore che fa evaporare l’acqua – afferma lo scienziato –. Ora stiamo cercando miscele liquide ioniche che inibiscano l’evaporazione».
Motori elettrici più efficienti
La miscela di acqua ionica è molto più “rispettosa” dell’ambiente rispetto al petrolio e aiuta anche a rendere i cuscinetti di scorrimento ancora più efficienti, in termini di rendimento globale del sistema. Amann precisa che l’albero scivola meglio quando viene bagnato con l’acqua. Ciò riduce il consumo di energia rispetto alle operazioni che utilizzano un olio molto più viscoso. Normalmente l’ossigeno nell’acqua reagisce con gli acciai contenenti ferro, portando alla ruggine. Il campo elettrico impedisce che ciò accada (ecco come viene limitata la corrosione).
In due progetti portati avanti assieme ai colleghi dell’Università di Friburgo, entrambi finanziati dal Ministero degli Affari Economici, del Lavoro e dell’Edilizia del Baden-Württemberg, gli esperti del Fraunhofer IWM hanno progettato un nuovo dispositivo di misurazione, denominato “in situ tribometer” (Figura 2), ovvero un sistema di misura posizionato sulla macchina, in grado di monitorare i valori di usura e di attrito metallici direttamente sul cuscinetto di scorrimento durante il funzionamento.
Fino ad ora, per valutare l’usura del cuscinetto era necessario smontare il cuscinetto e valutarne lo stato parte per parte. Questo, però, richiede molto tempo: «Il nostro nuovo tribometro ora rende possibile misurare l’usura in situ, non solo rendendo più facile lo sviluppo di lubrificanti a base acqua, ma anche per monitorare continuamente i cuscinetti», sottolinea Amann. Questo costituirebbe un enorme vantaggio nel tempo ciclo di funzionamento di una qualsiasi macchina, visto che si ridurrebbe l’usura e la relativa manutenzione.
Protezione dalla corrosione catodica
Il lubrificante ad acqua nei cuscinetti a scorrimento accoppiati galvanicamente, testato dal Fraunhofer IWM, è una nuova applicazione di un principio noto da tempo: la protezione attiva contro la corrosione catodica, che funziona senza energia elettrica aggiuntiva. Questo trucco previene la ruggine e la corrosione dei metalli che vengono a contatto con l’acqua. Ciò che viene chiamato “anodo sacrificale”, un metallo meno prezioso, viene inserito nell’ambiente acquoso. Questo anodo si dissolve lentamente, emettendo ioni nel liquido nel processo e creando un piccolo flusso di elettroni verso il metallo da proteggere, funzionando come un catodo.
Uno strato protettivo caricato negativamente si forma quindi sulla superficie del metallo, prevenendo la ruggine e la tribocorrosione. Questo perché cationi caricati positivamente dal liquido ionico o dal lubrificante per acqua si accumulano su questa su- perficie caricata negativamente. Nella Figura 3, viene riportata una schematizzazione di questo fenomeno chimico-fisico.
In sintesi
Il problema della lubrificazione è un argomento che preoccupa e allo stesso tempo affascina produttori, progettisti e manutentori. La soluzione proposta dagli esperti del Fraunhofer ha del rivoluzionario, sia in termini di ecosostenibilità sia di rendimento meccanico della trasmissione sulla quale tali cuscinetti andrebbero montati. Bisognerà soltanto capire, a questo punto, come risolvere il problema dell’evaporazione dovuto al surriscaldamento per rotolamento. La strada, però, sembra essere quella giusta.
di Salvatore Milana
