Il quadricottero a levitazione elettromagnetica

Questo video del canale Veritasium ci mostra un quadricottero a levitazione elettromagnetica. Questo dispositivo del peso di circa 48kg e composto da quattro motori collegati a 4 dischi contenenti una serie di magneti che una volta in rotazione permettono all’apparecchio di levitare. Una volta che i magneti sono in rotazione l’intero apparato può essere spostato trasversalmente senza sforzo anche se caricato con ulteriore peso.

Il principio di funzionamento di questo dispositivo è lo stesso che permette ad un magnete di essere rallentato mentre cade passando all’interno di un tipo metallico: ogni volta che un conduttore subisce un cambiamento nel campo magnetico vengono indotte delle correnti elettriche tali da creare un campo magnetico che si oppone al primo cambiamento subito. Nel caso del quadricottero sono i magneti in rotazione ad indurre correnti elettriche nella piastra di rame sottostante. In questo modo si creano dei campi elettromagnetici che sono all’incirca una copia speculare dei magneti in rotazione. Se i rotori girano abbastanza velocemente questo campo magnetico repulsivo permette al quadricottero di levitare.

Le correnti indotte incontrano resistenza nella piastra di rame, provocando una dissipazione di energia sotto forma di calore. Durante la dimostrazione la piastra si è infatti scaldata leggermente. Effetti simili avvengono in altri metodi di levitazione elettromagnetica. In questo secondo esempio una piastra di alluminio viene fatta levitare grazie al campo magnetico indotto da un magnete sottostante. Così facendo la piastra raggiunge temperature tali in grado di far evaporare istantaneamente l’acqua che vi entra a contatto.

Una particolarità della levitazione magnetica di questo quadricottero è la sua stabilità. Due semplici magneti orientati con i loro poli simili gli uni verso gli altri tenderebbero infatti ad essere ribaltati, la rapida rotazione dei dischi contenenti i magneti previene questo problema. Un’altro particolare aspetto di questo apparato è l’eccellente forza del campo magnetico richiesto per il lavoro. Il campo magnetico del neodimio, utilizzato nel quadricottero, sono naturalmente molto forti, ma viene reso ulteriormente più forte grazie ad una particolare configurazione utilizzata: l’ordine di Halbach, utilizzato comunemente nei magneti dei frigoriferi al fine di ottenere un campo magnetico più forte in uno solo dei lati del magnete. Il campo elettromagnetico è composto da vettori che corrono dal polo nord a quello sud del magnete e sono tipicamente simmetrici rispetto ai due poli. Utilizzato magneti disposti secondo l’ordine di Halbach si ottiene un campo elettromagnetico quasi esclusivamente orientato verso un lato della sequenza di magneti. In questo modo si ottengono campi elettromagnetici molto più forti senza modificare le proprietà dei magneti utilizzati.

In ciascuno dei dischi del quadricottero sono posizionati 12 magneti a forma di cuneo disposti in modo da comporre un ordine di Halbach, aumentando il campo elettromagnetico rivolto verso il basso ed eliminando quasi del tutto quello rivolto verso l’alto. Una volta messi in rotazione i magneti inducono correnti elettriche nella piastra di rame che a loro volta generano un campo magnetico speculare a quello dei dischi respingendoli verso l’alto. Poichè il campo magnetico che si genera nella piastra non è una perfetta copia di quello dei dischi, a causa della resistenza elettrica intrinseca del rame, parte dell’energia viene persa sotto forma di calore. Il campo magnetico che si forma nella piastra è difatti in leggero anticipo rispetto a quello dei dischi, effetto che provoca una resistenza alla rotazione dei magneti stessi. Per questo stesso motivo i rotori adiacenti devono ruotare in sensi opposti, evitando così la creazione di una forza di rotazione sull’intero quadricottero.

Questi stessi principi sono stati utilizzati per ottenere altre tipologie di levitazione magnetica, come nei treni o nelle “hoverboard” ed è inoltre considerato uno dei metodi più probabili per costruire “Hyperloop”: un sistema di trasporto incredibilmente rapido che utilizza tubi a bassa pressione per trasportare passeggeri e merci. In questo caso non sarebbe la rotazione dei magneti, ma il movimento trasversale dei convogli ad indurre cambiamenti nel campo elettromagnetico dei binari sottostanti. Avanzamenti nello studio e nella tecnologia dei magneti per il trasporto potrebbe in un futuro non lontano ad una rivoluzione nel mondo dei trasporti.

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