Autore: Anja Schütz / maxon motor ag
Il petrolio è considerato l'oro nero della terra - per accedere a questo "tesoro" sono necessarie tecnologie d'estrazione innovative e moderne per estrarre. I materiali utilizzati per le operazioni di trivellazione profonda sono sottoposti a condizioni estreme: temperature fino a 200 °C, vibrazioni e pressioni elevatissime. I motori maxon vengono utilizzate per molte funzioni, quali ad esempio comando delle valvole, l'attivazione di meccanismi di attivazione e di strumenti di misura. Oggigiorno, quasi tutte le automobili utilizzano carburante e, senza il petrolio, molti sistemi di riscaldamento non potrebbero funzionare. In breve, oltre l'85% del consumo energetico mondiale è basato sulle fonti di energia fossile: petrolio, gas e carbone. Per poter arrivare a queste risorse preziose della Terra è necessario tuttavia trivellare sempre più in profondita, operazione non certo facile. La trivellazione profonda (detta "Downhole Drilling"nel settore delle esplorazioni di gas e petrolio) permette rintracciare giacimenti di gas e petrolio a profondità superiori ai 2.500 metri. Impiegata assieme alla perforazione direzionale (orientamento dinamico di una trivellazione profonda), permette lo sfruttamento di giacimenti inaccessibili con profondità di trivellazione di circa 5.000 metri e lunghezze di perforazione fino a 11.000 metri. Il petrolio è un'energia non rinnovabile, tuttavia al giorno d'oggi non è possibile immaginare di vivere senza. Pertanto in molte regioni del mondo, l'oro nero viene estratto dalle profondità della Terra.
Ad esempio negli Stati Uniti, in Russia, Inghilterra, Cina e Medio Oriente sono presenti numerosi impianti di estrazione - sia sulla terraferma che offshore - che estraggono ogni giorno migliaia e migliaia di barili di petrolio o gas naturale. Al momento (febbraio 2008), il foro di trivellazione più lungo utilizzato è di 11.680 metri (fonte: Wikipedia). È stato praticato nel 2007 nel corso dello sfruttamento del giacimento petrolifero di Chayvo, nella costa nordest di Sachalin (Russia). Questo giacimento si trova a una profondità di circa 2.500 metri, ma è distante diversi chilometri dalla costa. L'estrazione viene eseguita in questo caso principalmente mediante perforazione direzionale dalla terraferma. Il fango provvede all'azionamento Tutte le perforazioni hanno una caratteristica in comune: i requisiti del materiale impiegato sono molto elevati. Soprattutto le punte delle trivelle sono sottoposte a condizioni estreme. Le temperature e la pressione presenti a profondità del genere, unite alle forti vibrazioni generate durante la trivellazione, rendono l'impiego di azionamenti elettrici una vera sfida. Le condizioni a migliaia di chilometri sotto la superficie terrestre sono ostili alla tecnologia. I materiali vengono impiegati con temperature fino a 200 °C e anche in queste condizioni devono garantire l'affidabilità totale. Il motore EC 22 HD (Heavy Duty) di maxon motor soddisfa tutti i requisiti di queste condizioni ambientali estreme. Concepito per gli standard estremamente elevati della trivellazione profonda, questo motore a commutazione elettronica è in grado di resistere alle condizioni più difficili, dove i motori "normali" si arrenderebbero. Il continuo sviluppo dell'elettronica e dei motori permette al giorno d'oggi di controllare e comandare meglio molte funzioni dell'intero processo di trivellazione.
La turbina della trivella, ad esempio, viene portata in movimento dal flusso di fango. I motori si trasformano in generatori mediante un accoppiamento magnetico e forniscono l'energia necessaria per diverse funzioni di azionamento. Grazie a questo sistema indipendente non sono più necessarie le batterie al litio, costose e dannose per l'ambiente. Con l'uso dell'EC 22 HD èpossibile misurare in maniera dinamica (MWD, Measurement While Drilling) la posizione della trivella e orientarla durante la perforazione. La misurazione viene eseguita mediante accelerometri, sensori di inclinazione e altri strumenti per l'esatta visualizzazione della posizione della trivella. Ma come vengono trasferiti in superficie i valori misurati? La tecnologia MWD trasforma i dati in impulsi che vengono comunicati alla piattaforma di trivellazione. Questo sistema viene azionato da elettromagneti o motori HD. Diverse trivelle impiegano, le valvole idrauliche vengono comandate mediante azionamenti elettromagnetici. L'EC 22 HD dispone anche di un riduttore adeguato: il modello GP 22 HD (figura 3). Molte applicazioni, soprattutto nella trivellazione profonda, necessitano di un riduttore robusto in grado di soddisfare tutti i requisiti. La maggior parte delle applicazioni sotterranee necessita di coppie elevatissime a fronte di una durata di impiego talvolta molto ridotta (comando e movimento delle valvole). Una caratteristica speciale di questi riduttori è data dai fori sull'housing, necessari per garantire un flusso d'olio senza ostacoli:infatti il riduttore - come anche il motore - può essere fatto funzionare anche in olio. Le versioni di EC 22 sono stati ottimizzate per il funzionamento in aria o in olio (bagno d'olio idraulico).
I motori sono costruiti senza l'uso dicollanti e non hanno un sistema di commutazione meccanica. In questo modo il motore è in grado di resistere a temperature estreme ed offre prestazioni stabili anche in caso di vuoto ultraspinto. La potenza tipica dipende dal mezzo in cui esso viene utilizzato ed è di 80 watt in aria e - data la dissipazione del calore nettamente maggiore - 240 watt in olio. Sono concepiti per temperature ambiente superiori ai 200 °C e pressioni fino a 1.700 bar. Se dotati di raffreddamento a olio, possono anche resistere a temperature fino a +240 °C. Questi motori con diametro 22 mm devono poter resistere a vibrazioni fino a 25 Grms e a colpi e urti fino a 100 G, ovvero cento volte l'accelerazione di gravità. Per fare un confronto: una macchina da Formula 1 viene sottoposta a circa 2 G, un aereo da caccia a circa 13 G. L'essere umano invece è in grado di sopportare circa 10 G, ovvero dieci volte il proprio peso corporeo.
Si tratta di valori estremi, e soltanto gli astronauti e i piloti sono in grado di sopportare per un determinato lasso di tempo tali sollecitazioni fisiche. Alta efficienza a grandi profondità Oltre all'elevatissima resistenza alle condizioni ambientali estreme a grandi profondità, i motori HD maxon dispongono anche di un rendimento eccezionale. In aria il rendimento del motore raggiunge anche l'88%, mentre in olio oltre il 70%. Queste caratteristiche permettono l'impiego dell'EC 22 in numerosissimi altri settori - anche nelle condizioni estreme dello spazio. Grazie al loro funzionamento privo do cogging, i motori HD sono dotati di caratteristiche di regolazione eccezionali e pertanto sono adatti a operazioni di posizionamento estremamente precise nello spazio, anche a velocità ridotte. In futuro questi motori verranno impiegati anche su Venere, destinazione di un volo spaziale della NASA che è ancora in fase di pianificazione. Su questo pianeta però il motore dovrà essere in grado di resistere a temperature fino a 480 °C. Lo sviluppo di motori di precisione per le condizioni estreme continua.
