I laser a fibra possono aiutare a salvare il pianeta?
Per il professor Michalis Zervas, co-ricercatore dell’istituto inglese Future Photonics Hub, i laser fibra possono dare un contributo decisivo nel rendere sostenibili le produzioni industriali grazie alle loro caratteristiche tecnologiche, in particolare in termini di efficienza energetica.
La tecnologia laser a fibra ad alta potenza vanta molte caratteristiche uniche che la distinguono da altre tecnologie concorrenti e potrebbe essere la chiave per rendere la produzione più efficiente e sostenibile. I laser a fibra ad alta potenza sono ora prodotti abitualmente in tutto il mondo e ampiamente utilizzati nelle linee di produzione più avanzate per il taglio, la saldatura e la stampa 3D. Secondo l’esperienza del professor Michalis Zervas, co-ricercatore dell’istituto inglese Future Photonics Hub, sono infatti numerosi i benefici ambientali che la tecnologia laser a fibra può fornire mentre l’industria entra nell’era della produzione digitale. “La tecnologia laser è al centro della produzione moderna – spiega Zervas -. La tecnologia laser a fibra ad alta potenza è l’ultima novità quando si parla di produzione e ha delle caratteristiche che la distinguono. A differenza delle tecnologie laser concorrenti, a stato solido e di altri tipi, i laser a fibra presentano l’ingombro più piccolo e una rapida attivazione delle operazioni chiave grazie alle loro cavità monolitiche, interamente in fibra e compatte. Hanno una stabilità senza precedenti, modularità di potenza e un’efficienza da record mondiale – l’efficienza complessiva di trasformare gli elettroni in luce. La tecnologia laser a fibra ha il potenziale per rivoluzionare l’industria ed essere utilizzata come mai prima d’ora”. L’efficienza energetica è infatti uno degli aspetti più importanti della tecnologia laser a fibra. ”I laser a fibra hanno un’efficienza radiante – l’efficienza di conversione dell’energia con cui il sistema trasforma la corrente elettrica in energia ottica – di oltre il 40%, quando le tecnologie concorrenti arrivano al 10% o anche meno. Questo ha un impatto enorme sul risparmio di energia elettrica e sull’efficienza del processo e solo la tecnologia laser a fibra può offrire questi risparmi.
Collaboro con un’azienda chiamata SPI Lasers, che ha prodotto tecnologie laser a fibra avanzate per la produzione digitale. Le nostre stime, per quanto prudenti, mostrano che questi nuovi laser a fibra potrebbero portare a circa 250 mila tonnellate di riduzione di CO2 all’anno, solo riducendo l’elettricità necessaria per far funzionare i laser. Questo non include il risparmio acquisito perché si ha un processo molto più efficiente. In pratica, l’ultima generazione di laser a fibra può addirittura dimezzare il fabbisogno energetico per un gran numero di applicazioni di lavorazione dei materiali. Questi risparmi arrivano al momento giusto: il Regno Unito deve raggiungere i suoi obiettivi di azzeramento delle emissioni di carbonio. Sono necessari più ricerca e investimenti per sviluppare la prossima generazione di agili strumenti di produzione laser a fibra per raccogliere i benefici sostenibili degli attributi unici dei laser a fibra”.
Non solo sostenibilità
Le modalità uniche e altamente efficienti di strutturare la luce offerte dalla tecnologia delle fibre permettono a questa tecnologia di avere un impatto così positivo e sostenibile. “Le tecniche speciali che usiamo per modellare la luce (sia le forme del fascio che la polarizzazione) – prosegue il co-ricercatore di Future Photonics Hub – sono realizzate in modo innovativo a livelli multi-kilowatt in modo da raddoppiare l’efficienza del processo. Questo è il risultato dell’eccellente controllo del fascio e delle proprietà di guida della luce ininterrotta, dei collegamenti perfetti e dell’efficiente rimozione del calore offerti dalle fibre. Si è in grado di modellare il fascio in base alle specifiche esigenze di produzione. Quindi, anche se si ha la stessa potenza, poiché è modellata correttamente, l’efficienza può essere raddoppiata. Solo i laser a fibra possono offrire questa efficienza”. Da queste caratteristiche derivano però anche dei benefici aggiuntivi.
“Avendo un processo più efficiente si può andare più veloce. Modellando il fascio per adattarlo al processo, abbiamo dimostrato una velocità di lavorazione del 30% più veloce e lo si fa con la metà dell’energia richiesta dalla tecnologia laser tradizionale. Inoltre, la tecnologia laser a fibra permette di avere unità di lavorazione più piccole, che diventano così più flessibili, efficienti, versatili e facili da integrare in sistemi di produzione più complessi”. Moltissimi quindi i settori che possono trarre vantaggio da questo tipo di tecnologia. “L’industria manifatturiera è al centro della nostra economia e ha effetti su tutta la vita moderna. Le sue competenze e proprietà alimentano continuamente altri settori e industrie – la grande maggioranza delle automobili sono ora saldate con processi che utilizzano il laser, per esempio. Anche l’industria aerospaziale trae vantaggi dalla produzione con tecnologia laser a fibre e il settore sanitario e medico utilizza ora questi laser super stabili. Per esempio, il taglio degli stent è stato rivoluzionato e ora viene fatto interamente con laser a fibra in virtù della stabilità e della precisione di questi laser. Anche la produzione di protesi su misura è cambiata significativamente grazie all’introduzione dei laser a fibra nella manifattura additiva, di nuovo, per le stesse ragioni di stabilità e precisione. Ora stiamo iniziando a pensare anche a nuovi laser a fibra potenti con capacità di uscita di mega watt. Questi potrebbero essere utilizzati per l’accelerazione di particelle in mini CERN da tavolo, per la pulizia dei detriti spaziali o anche per il trattamento delle scorie nucleari, per rendere il mondo un posto migliore, più pulito, più prospero e più sicuro”.
Il laser fibra di domani, una tecnologia in crescita costante
Non ha dubbi il prof. Michalis Zervas nel tratteggiare il futuro della tecnologia laser a fibra. “È ampiamente riconosciuto che questo settore vedrà una crescita e un’espansione senza precedenti nei prossimi cinque-dieci anni e sostituirà le tecnologie esistenti in misura ancora maggiore. Entro la fine di questo decennio, si prevede che i laser a fibra saranno un business da 10 miliardi di dollari. Ma nonostante il successo e la crescita che abbiamo già visto, i laser a fibra ad alta potenza sono ancora agli esordi e abbiamo appena scalfito la superficie di questa tecnologia. Stiamo ancora usando i laser a fibra in modo primitivo come fornitori di potenza grezza a singolo canale, a singolo colore, non polarizzati, non sagomati. Attualmente sappiamo che i laser possono guidare e modellare la luce, ma si può anche controllare la polarizzazione della luce e controllare la lunghezza d’onda della luce e si può fornire tutto questo su lunghe distanze. Al momento stiamo però usando a malapena questi attributi unici. Bisogna invece tenere presente che queste sono proprio le proprietà che inizieranno ad essere utilizzate in futuro e saranno determinanti per le fabbriche digitali del futuro con aree di lavoro flessibili che sono fatte su misura per l’applicazione. Crediamo che questo sia un nuovo paradigma di come i laser o i fotoni possono essere generati e trasmessi e avrà un enorme impatto nel plasmare la prossima era della produzione digitale”.