Motore a pistone libero: l'idea nata tra Barcellona e Parigi che l'auto elettrica stava aspettando

Il motore a pistone libero ha un padre argentino, un direttore tecnico svizzero, un tentativo americano finito in garage e una parentesi a Barcellona che in Italia non racconta nessuno. In mezzo c’è perfino un ingegnere italiano. E dopo un secolo passato a sparire e ricomparire, oggi è una delle poche idee a scoppio che l’auto elettrica potrebbe rimettere in circolo.

Il principio è brutale. Si prende un motore e si comincia a togliere pezzi. Via l’albero motore, quel gomito d’acciaio che trasforma il saliscendi dei pistoni in rotazione. Via le bielle che lo collegano ai pistoni. Via il volano che ne liscia i giri. Resta un pistone che rimbalza avanti e indietro dentro un cilindro, senza niente che lo colleghi a un asse rotante. Sembra un motore smontato a metà, un rottame. E invece è una delle idee più eleganti che la meccanica abbia mai partorito, sepolta per decenni perché mancava una cosa sola: un cervello abbastanza veloce da governarla.

A cosa serve un pistone che non muove le ruote

La prima obiezione è ovvia e giusta: se il pistone non è collegato a un albero, come muove l’auto? Non la muove. E questo, controintuitivamente, è il punto di forza.

Un motore normale fa due lavori insieme. Brucia carburante per liberare energia, e poi converte il movimento lineare del pistone in movimento rotatorio, perché le ruote girano. Quella conversione, che si dà per scontata, costa: attrito, perdite, e una massa di ferro che ruota solo per cambiare direzione a un moto. È una tassa che si paga a ogni giro.

Se però serve solo elettricità, il movimento lineare del pistone va benissimo così com’è. Basta attaccare dei magneti al pistone e farlo sfrecciare avanti e indietro dentro una serie di bobine: a ogni passaggio quei magneti inducono corrente. È la legge di Faraday nella sua forma più nuda, niente manovelle, niente ingranaggi, il pistone è insieme il cuore che pompa e l’alternatore che genera. Un generatore lineare a pistone libero.

I vantaggi di buttare via l’albero motore sono concreti. Meno pezzi, meno attrito, meno peso. E siccome nessun manovellismo obbliga il pistone a percorrere sempre la stessa corsa, si può variare la compressione al volo; non avendo una geometria fissa da rispettare, il motore ingoia praticamente qualsiasi carburante. Compatto, flessibile, efficiente. Sulla carta è un gioiello.

C’è un dettaglio geniale che è la chiave di tutto il ritorno moderno. La stessa macchina elettrica lineare che genera corrente può lavorare al contrario, come motore elettrico, per spingere il pistone. Questo risolve due problemi in un colpo solo. Primo, l’avviamento: non serve un motorino a parte, è il generatore stesso a dare la prima spinta al pistone per innescare la combustione. Secondo, e più importante, la correzione in corsa: se un ciclo scoppia troppo forte, l’elettronica frena il pistone assorbendo l’energia in eccesso e trasformandola in corrente; se scoppia troppo debole, gli dà una spinta per riportarlo dove deve stare. Il pistone anarchico viene domato elettricamente, colpo dopo colpo. Negli anni Cinquanta tutto questo era pura fantasia; oggi lo fa qualsiasi inverter.

Il mostro della General Motors del 1956

Il capitolo che meriterebbe un film arriva a Detroit. Nel maggio del 1956, mentre inaugurava il suo nuovo centro tecnico di Warren, in Michigan, la General Motors svelò la XP-500. Vista da fuori sembrava la gemella delle Firebird a turbina, tanto che ancora oggi le si confonde. Sotto la carrozzeria, però, batteva un cuore completamente diverso.

Il gruppo si chiamava Hyprex 4-4, due cilindri e quattro pistoni, un cosiddetto gasificatore costruito dai tecnici GM a Detroit su progetto di uno svizzero, Robert Huber, di cui si parlerà tra poco. Lo schema era di quelli che fanno inclinare la testa: il generatore a pistone libero stava davanti, con i pistoni che battevano circa 2.400 colpi al minuto, e sputava gas ad alta pressione; quel gas alimentava una turbina montata dietro, ed era la turbina a spingere davvero l’auto. Il pistone non toccava le ruote nemmeno di striscio.

Le cifre, per il 1956, erano roba da fantascienza. Circa 250 cavalli di potenza in gas, quando la Chevrolet Corvette dello stesso anno, col V8 265 e due carburatori a quattro corpi, ne dichiarava 225 o 240. Mandava giù benzina, cherosene, gasolio, olio combustibile, greggio, olio vegetale, e a Detroit lo fecero girare perfino con olio di balena, giusto per far vedere che si poteva. Senza albero motore le vibrazioni erano quasi assenti, e il rendimento termico stava attorno al 32-36%, al livello dei diesel di allora.

La GM ci credette abbastanza da portarlo in mare: sulla nave Liberty William Patterson montò sei gasificatori da 1.250 cavalli che alimentavano turbine, 6.000 cavalli all’asse, il primo impianto navale americano di questo tipo.

Il cane che si morde la coda

La XP-500 durò tre anni e nel 1959 la GM la mise da parte. Avviamento, lubrificazione e controllo si rivelarono problemi insormontabili. Senza albero motore non c’era nulla da cui prendere il moto per gli accessori, per cui pompa del carburante e avviamento avevano bisogno di sistemi propri, e per mettere in moto servivano bombole d’aria compressa.

Ma il difetto vero era un altro: la virtù del pistone libero rovesciata come un guanto. Non avendo albero motore, niente costringe il pistone a comportarsi bene. In un motore normale, manovellismo e bielle garantiscono che il pistone arrivi esattamente al punto morto superiore e a quello inferiore, ciclo dopo ciclo, qualunque cosa combini la combustione. È una catena, sì, ma regala il controllo totale sulla posizione del pistone in ogni istante.

Senza catena il pistone diventa ostaggio della combustione. Scoppio un po’ più forte, il pistone vola più in là. Scoppio un po’ più debole, si ferma prima. E qui scatta la trappola: la posizione del pistone dipende da com’è andata la combustione, ma la combustione successiva dipende da dov’è il pistone. Un cane che si morde la coda. Governare quel caos con molle, camme e meccanica pura, l’unico arsenale disponibile negli anni Cinquanta, su un motore stradale affidabile era impossibile, e la prima generazione di pistoni liberi venne abbandonata verso gli anni Sessanta. Alla macchina non mancava la potenza. Mancava il cervello, e il cervello avrebbe tardato mezzo secolo.

Moglia, Pescara e la fabbrica di Barcellona

Per capire da dove arrivava Huber bisogna tornare indietro di trent’anni, e spostarsi a Barcellona.

Nel 1929 in Catalogna nasce la Fábrica Nacional de Automóviles, un’operazione appoggiata dallo Stato spagnolo con 70 milioni di pesetas per dare al paese un’industria dell’auto. La prima macchina la firmano Enrique Pateras Pescara e un ingegnere italiano, Edmond Moglia, di cui nelle storie dell’automobile italiana non si trova quasi traccia. Esce la Nacional Pescara Eight: otto in linea bialbero, 3 litri, 125 cavalli. Nel 1931 la Sport si prende il Campionato europeo della montagna e corre in casa sulla Rabassada e al Montjuïc, con Enric Tort e Juan Zanelli al volante. Si vende dal 1930 al 1932, poi la fabbrica si spegne prima della guerra civile. L’unico esemplare rimasto intero, un’auto da corsa del 1929, la Generalitat de Catalunya l’ha comprato all’asta a Bruxelles nell’ottobre del 2024 per 585.348 euro: andrà al museo della scienza e della tecnica di Terrassa.

Dietro c’era il fratello di Enrique, Raúl Pateras Pescara, argentino di Buenos Aires classe 1890, ingegnere, avvocato, marchese e inventore compulsivo. Prima delle auto aveva fatto elicotteri: rotori coassiali controrotanti, tra i primi a usare il passo ciclico, cioè il comando che inclina il rotore e fa avanzare la macchina. Il brevetto del suo “elicottero razionale” partì dalla Spagna nel febbraio del 1920, e nel gennaio del 1924, a Issy-les-Moulineaux, Pescara restò in aria 8 minuti e 13 secondi, record del mondo.

E fu sempre lui, nel 1927 e nel 1928, a brevettare il motore a pistone libero, prima ad accensione comandata e poi a compressione. Per svilupparlo aprì il Bureau Technique Pescara e ci mise come direttore tecnico proprio Robert Huber, che restò lì dal 1924 al 1962, seguì quasi trenta tipi e taglie diverse di motore e passò alla storia come “Mr Free Piston”. I primi a funzionare furono compressori d’aria, l’AC-2 a benzina e l’AC-3 a gasolio, un lavoro dove al pistone si chiede resistenza e non precisione. Erano quasi tutti a pistoni contrapposti, due pistoni affacciati nello stesso cilindro che si muovono in specchio e si annullano le vibrazioni a vicenda. Nel 1938-39 due di quelle macchine, le G-30, fecero girare il primo generatore a pistone libero del mondo, un alternatore da 800 kW, e più tardi la francese SIGMA mise in serie il GS-34, un generatore di gas da 1.138 cavalli. Quando la GM bussò, Huber aveva già trent’anni di pistoni liberi alle spalle.

Perché oggi torna, e proprio grazie all’auto elettrica

Oggi ci sono sensori che leggono la posizione del pistone migliaia di volte al secondo, elettronica di potenza capace di spingere o frenare il pistone usando lo stesso generatore lineare come motore, e algoritmi che gestiscono in tempo reale quell’anello che si morde la coda. Il problema che uccise il pistone libero, di colpo, ha una soluzione.

E c’è un secondo ingrediente che negli anni Cinquanta non esisteva: l’auto elettrica. Il pistone libero è sempre stato pessimo a muovere ruote, perché per quello serve rotazione. Ma a generare corrente è un fuoriclasse. Un’elettrica ad autonomia estesa vuole proprio una scatoletta compatta che bruci carburante solo per ricaricare la batteria quando serve, senza mai toccare le ruote.

I tedeschi del DLR, il centro aerospaziale, nel febbraio del 2013 hanno mostrato un generatore lineare a pistone libero pensato come range extender, con molle a gas che frenano e rimandano indietro il pistone e corsa regolabile per passare dalla benzina al metano, dall’etanolo all’idrogeno. Un anno più tardi Toyota ha portato al congresso SAE di Detroit il suo, uscito dai laboratori Toyota Central R&D: 10 kW, due tempi, un pistone sagomato a W con magneti al neodimio e una camera a gas che fa da molla e restituisce energia al ritorno. Numeri messi nero su bianco: 42% di rendimento termico e oltre quattro ore di funzionamento continuo senza guai di raffreddamento o lubrificazione. Per Toyota ne basterebbero due, 20 kW in tutto, perché un’elettrica di segmento B o C tenga i 120 all’ora in autostrada. La versione a idrogeno è in pieno studio, e il controllo del pistone, da muro invalicabile, è diventato un problema di software.

Per un paese di motori piccoli e ingegnosi come l’Italia, il range extender viene spesso liquidato come una soluzione-tampone, un compromesso buono solo per la transizione. Il pistone libero ribalta quel giudizio: un motore nato storto per muovere le ruote e perfetto per fare elettricità, in quella nicchia, è lo strumento giusto.

Da Terrassa al chip

Questa è la terza puntata di una serie sulle idee che l’industria ha messo sottoterra. La valvola rotante è inciampata nei materiali e poi in un articolo del regolamento FIA. La giostra dell’Adams-Farwell è stata tradita dall’effetto giroscopico della sua stessa massa. Il pistone libero è rimasto fermo per un controllo che nel 1956 nessuno sapeva costruire e che oggi gira dentro un chip da pochi euro.

E l’auto dell’uomo che lo brevettò, quella di Barcellona disegnata anche da un italiano, aspetta a Terrassa con il suo otto cilindri, l’albero motore e le bielle al loro posto.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: schema del generatore Pescara, Daniel Bonnerue (CC BY-SA 2.0 FR). Generatore del DLR, DLR (CC BY 3.0). Nacional Pescara al mNACTEC, Enric (CC BY-SA 4.0). Via Wikimedia Commons.