La NASA realizza i dischi freno del futuro

Il design ideato per questa nuova tipologia di disco è il 42% più leggero dei tradizionali in ghisa e con prestazioni paragonabili a quelli prodotti in carboceramica

16 febbraio 2024

Proprio come i produttori automobilistici, anche la NASA lavora per ridurre il peso per migliorare le prestazioni dei veicoli spaziali e qualche giorno fa l’agenzia ha rivelato una tecnologia idonea per realizzare un disco freno piuttosto diverso da quello che conosciamo oggi.

Durante la chiusura pandemica, Jonathan Lee, ingegnere dei materiali strutturali presso il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville (Alabama) ha iniziato a riflettere su come rendere più efficace un disco dei freni: la riduzione della massa delle ruote di un veicolo permette un minor utilizzo dell’energia che serve sia per frenare sia per accelerare. Secondo l’ingegnere, i dischi freno ventilati convenzionali sono troppo pesanti per colpa delle due piastre metalliche affacciate che vengono raffreddate dall'aria che circola tra di esse. Secondo Lee il design è inefficiente perché sono le superfici esterne che vengono sfruttate per creare l'attrito con le pastiglie dei freni e il raffreddamento ad aria avviene solo sulle superfici interne. L'idea di Lee, quindi, è stata quello di raffreddare direttamente le superfici calde, consentendo l'eliminazione, e quindi l'alleggerimento, di uno dei dischi da ciascuna ruota.

Il prototipo del disco progettato nei laboratori della NASA. Le parti veniciate di nero all'interno delle scanalture sono anch'esse superfici radianti del calore

Il primo prototipo realizzato è stato quello di un singolo disco con una serie di piccole pinne intorno al mozzo centrale. Quest’ultime, mentre girano, aspirano l'aria dall'esterno della vettura, dove è più fresca, e la spingono sulla superficie del disco, dove le pastiglie dei freni fanno contatto. Grazie a questo design si ha come risultato il raffreddamento del disco, delle pastiglie e delle pinze. Inoltre, l'ingegner Lee ha poi aggiunto diverse lunghe scanalature che si irradiano dal centro verso l'esterno intorno alle superfici frenanti, secondo uno schema chiamato PeriodicWave e che è stato realizzato dalla Orbit Brakes.

Le pinne rotanti e la forza centrifuga della ruota spingono l'aria nelle depressioni, causando un flusso d'aria turbolento che allontana il calore. "Quando l'aria viene spazzata via, attraversa la pinza del freno e la raffredda - nessun rotore convenzionale è in grado di fare qualcosa del genere. È un progresso enorme", ha detto Lee.

Queste scanalature nelle superfici frenanti aumentano anche la superficie disponibile per il raffreddamento del complesso di oltre il 30% e riducono il peso dell'insieme del 40%. Inoltre, le pastiglie dei freni aumentano il loro attrito e permettono di spingere fuori ogni tipo di oggetto indesiderato che si può incastrare (come foglie, sassi ecc) migliorando l'affidabilità. Inoltre, potrebbe offrire una soluzione semplice a un grave inquinamento ambientale: le nanoparticelle tossiche.

"Quando le pastiglie dei freni superano una certa temperatura critica, a seconda dei loro materiali, possono emettere un aumento di 10.000 volte di particolato tossico", ha detto Marcus Hays, co-amministratore delegato di Orbis Brakes. Poiché la polvere tossica si trova proprio all'altezza della strada, l'impatto sulla salute umana è più dannoso delle emissioni di scarico, secondo uno studio dell'Università di Oxford. Quindi l'azienda sta attualmente testando il suo design EcoWave per assicurarsi che non crei quel tipo di emissione.

Nel frattempo, Orbis offre lo NextWave come freno a disco after-market per auto ad alte prestazioni come la Ford Mustang e alcuni modelli Tesla. Infatti, le auto elettriche possono essere circa il 25% più pesanti rispetto ai veicoli a motore a combustione interna e hanno una velocità, un'accelerazione e una coppia decisamente maggiore rispetto alle vetture tradizionali. Secondo Hays, i proprietari tendono a guidarle come auto sportive e, proprio per questo motivo, l'azienda offre un'alternativa ai freni che vengono montati dalla stessa casa automobilistica.

Infine, man mano che l'azienda riceverà dei feedback dai primi proprietari, preparerà altre due linee, tra cui una esclusivamente pensata per le vetture 100% elettriche.

Il problema delle polveri sottili emesse dagli impianti frenanti è al centro anche delle norme Euro 7, che stabiliscono nuovi limiti più severi per le polveri che derivano dall'usura delle pastiglie, e in questo senso le ricerche della NASA vanno esattamente nella direzione giusta.