ARPA

Dec 25, 2023

L’Agenzia statunitense per i progetti di ricerca avanzata sull’energia (ARPA-E) ha annunciato finanziamenti fino a 10 milioni di dollari per sviluppare nuove tecnologie e strumenti per ridurre l’impatto ambientale dell’aviazione. Il finanziamento, parte dell'ampio programma esplorativo FOA ARPA-E, è destinato all'argomento Predictive Real-time Emissions Technologies Reducing Aircraft Induced Lines in the Sky (PRE-TRAILS). (DE-FOA-0002784)

Gli aerei consumano combustibili ed emettono una serie di emissioni, tra cui anidride carbonica e vapore acqueo sotto forma di scie di condensa. Queste scie di condensazione si verificano quando l’acqua di scarico degli aerei si mescola con l’aria fredda e umida dell’ambiente. La maggior parte delle scie di condensazione si dissipano in meno di dieci minuti e non destano preoccupazione.

Tuttavia, quando esistono siti di nucleazione e condizioni atmosferiche specifiche (come le regioni sovrasature di ghiaccio (ISSR)), lo scarico del motore può causare la formazione di scie persistenti, che a loro volta possono produrre cirri persistenti noti come cirri indotti dagli aerei (AIC) . Queste nubi atmosferiche superiori possono durare per ore e possono estendersi per diverse centinaia di chilometri.

Studi recenti hanno indicato che le scie probabilmente contribuiscono alla forzatura radiativa globale a un livello che è più o meno equivalente a quello delle emissioni di CO2 dell’intero settore aeronautico, che si stima rappresenti circa il 2% delle emissioni globali totali di CO2.

Sfortunatamente, al momento, i piloti, i controllori del traffico aereo e i progettisti di sistemi aerospaziali hanno poche o nessuna informazione sulla possibilità che un volo specifico possa provocare cirri persistenti.

ARPA-E prevede lo sviluppo di un sistema per prevedere le scie di volo (un "Aviation Contrail Predictive System", ACPS) che sarebbe in grado di informare i piloti e i controllori di terra in tempo reale se un aereo è probabile che produca AIC persistente. Questo nuovo sistema potrebbe favorire lo sviluppo di:

strategie di evitamento: consentire il reindirizzamento degli aerei da parte del controllo a terra verso traiettorie di volo più favorevoli (non AIC); e/o

tecnologie di mitigazione a bordo.

Un uso previsto di un modello predittivo AIC quasi in tempo reale. I dati di volo e altre fonti di dati ambientali vengono assimilati in un modello predittivo AIC durante la pianificazione del volo. Ulteriori dati in situ dal volo corrente, dati in situ da voli precedenti o successivi e dati di osservazione provenienti da fonti satellitari o terrestri limiterebbero e migliorerebbero l'output del modello, con conseguente miglioramento delle previsioni e migliore supporto alle decisioni in volo tramite un semplice monitoraggio e reporting al pilota/operatore di volo o tramite percorsi di volo tattici continuamente ottimizzati. Il risultato del programma è il modello predittivo AIC e i dati o i sensori necessari per effettuare una previsione AIC accurata convalidata utilizzando le osservazioni.

Lo sviluppo di un ACPS sarà particolarmente impegnativo, in parte perché l’AIC può formarsi diverse ore dopo il passaggio di un aereo. Questi modelli predittivi dovranno considerare sia le condizioni atmosferiche dinamiche che le emissioni dei motori. Ciò potrebbe richiedere, ad esempio, l'assimilazione di dati in situ provenienti da sistemi di sensori a bordo nonché di dati di osservazione fuori aereo provenienti da fonti terrestri e/o satellitari e precedenti rapporti di volo.

Aree tecniche di interesse. Lo scopo di PRE-TRAILS è supportare lo sviluppo di una capacità predittiva che in "tempo reale" e con elevata sicurezza possa informare un pilota o un operatore di volo se è probabile che un aereo produca cirri persistenti indotti dall'aereo (AIC), anche ore prima che siano completamente sviluppate. Ciascuna proposta di progetto per il finanziamento deve affrontare le seguenti tre aree tecnologiche per sviluppare un sistema predittivo di scie aeree:

Sviluppo di aeromobili, dati ambientali e sensori: potrebbero essere necessari nuovi sensori o fonti di dati ambientali per fornire dati di formazione e convalida sufficienti per le capacità predittive previste. Le condizioni di formazione delle scie sono identificate dal criterio di Schmidt-Appleman: dove il contenuto di vapore acqueo raggiunge la saturazione del liquido in specifiche condizioni di temperatura e saturazione in presenza di siti di nucleazione. Particolarmente importanti sono le scie persistenti che si formano quando gli aerei viaggiano attraverso l'ISSR atmosferico, portando all'AIC. Poiché il regime di formazione di scie persistenti è una combinazione dei criteri Schmidt-Appleman e ISSR, di particolare interesse sono i sensori in grado di identificare questi parametri con precisione in tempo reale, ad esempio sistemi di sensori in grado di misurare l'umidità atmosferica superiore pari o inferiore a 10 ppm.