Il 15 aprile 1988, un aereo di linea Tupolev Tu-154 modificato decollò dall'aeroporto Zhukovsky di Mosca con uno dei suoi tre motori alimentato a idrogeno liquido. Raggiunse la quota di crociera, compì un circuito di volo e atterrò senza incidenti. Il velivolo, denominato Tu-155, rappresentò – per un breve e straordinario momento – l'esperimento di propulsione più avanzato nella storia dell'aviazione.
Trentotto anni dopo, mentre Airbus, Boeing e una costellazione di startup si affrettano a sviluppare aerei commerciali a idrogeno, il Tu-155 rimane l'unico aereo di linea a grandezza naturale ad aver mai volato con carburante a idrogeno. L'Unione Sovietica ci arrivò per prima. Poi crollò, e con essa morì anche il progetto.
Il motore criogenico
Il programma Tu-155 iniziò nel 1980 sotto la direzione dell'ufficio di progettazione Tupolev, con l'obiettivo di dimostrare che i combustibili criogenici – idrogeno liquido (LH2) e successivamente gas naturale liquefatto (GNL) – potevano alimentare un aereo di linea commerciale. Il velivolo utilizzato per il progetto era un Tu-154B standard, il cavallo di battaglia dell'aviazione sovietica per i voli a medio raggio, con il motore di dritta (n. 3) sostituito da un turboventola Kuznetsov NK-88 modificato e progettato per bruciare idrogeno.
Le sfide ingegneristiche erano formidabili. L'idrogeno liquido doveva essere immagazzinato a -253 °C, appena 20 gradi sopra lo zero assoluto. Il serbatoio del carburante, installato nella fusoliera posteriore dove normalmente si troverebbero i sedili dei passeggeri, era un recipiente criogenico isolato sottovuoto che pesava oltre una tonnellata a vuoto. Il sistema di alimentazione del carburante richiedeva pompe, valvole e guarnizioni completamente nuove, in grado di gestire un fluido che bolle a temperatura ambiente e che fuoriesce attraverso quasi qualsiasi materiale. La camera di combustione dell'NK-88 fu riprogettata per gestire le caratteristiche di fiamma drasticamente diverse dell'idrogeno: l'idrogeno brucia a temperature più elevate, più velocemente e con una fiamma quasi invisibile.
Nonostante questi ostacoli, il Tu-155 effettuò voli di successo. Nell'aprile del 1988 furono condotti cinque voli a idrogeno liquido, seguiti da oltre 100 voli a gas naturale liquefatto (GNL) tra il 1989 e il 1990. I voli a GNL furono di fondamentale importanza operativa: l'aereo percorse rotte da Mosca a Bratislava, Hannover e Nizza, dimostrando che il carburante criogenico poteva sostenere un normale profilo di volo commerciale.
Perché l'idrogeno?
L'interesse sovietico per l'idrogeno era motivato dalla sicurezza energetica piuttosto che da preoccupazioni ambientali. Le vaste riserve di gas naturale dell'URSS rendevano il GNL un'alternativa interessante al cherosene, la cui produzione richiedeva una capacità di raffinazione del petrolio che l'economia sovietica faticava a mantenere. L'idrogeno, producibile tramite elettrolisi dell'acqua utilizzando energia elettrica di origine nucleare, offriva una fonte di combustibile ancora più strategicamente indipendente.
Ma la fisica dell'idrogeno offriva anche reali vantaggi in termini di prestazioni. L'idrogeno ha circa 2,8 volte l'energia per chilogrammo del cherosene. Un aereo che brucia idrogeno produce come gas di scarico solo vapore acqueo: niente CO2, niente particolato, niente composti di zolfo. In un'epoca in cui il cambiamento climatico non era ancora una priorità politica, queste caratteristiche furono notate dagli ingegneri sovietici come benefici a lungo termine che valeva la pena perseguire.
Il problema – e non è da poco – è la densità. L'idrogeno liquido ha circa un quarto dell'energia per litro del cherosene. Per trasportare la stessa quantità totale di energia, un aereo a idrogeno necessita di serbatoi di carburante quattro volte più grandi in termini di volume. Questo è il motivo per cui il serbatoio di idrogeno del Tu-155 occupava una parte considerevole della cabina passeggeri, ed è il motivo per cui ogni moderno progetto di aereo a idrogeno – dallo ZEROe di Airbus alle startup come ZeroAvia e Universal Hydrogen – si confronta con lo stesso fondamentale compromesso tra peso e volume del carburante.
Il Tu-156: l'aereo di linea che non è mai esistito.
Incoraggiato dal successo del Tu-155, Tupolev propose il Tu-156, un aereo di linea appositamente progettato e alimentato a idrogeno/GNL, basato sulla cellula del Tu-204, con tutti e tre i motori convertiti a carburante criogenico e serbatoi di carburante integrati riprogettati. Il Tu-156 avrebbe dovuto entrare in servizio a metà degli anni '90, trasportando fino a 164 passeggeri su rotte a medio raggio.
Non andò mai oltre la fase di progettazione. Il crollo dell'Unione Sovietica nel 1991 pose fine ai finanziamenti statali per quasi tutti i programmi aeronautici avanzati. L'infrastruttura per il carburante criogenico che sarebbe stata necessaria – impianti di liquefazione dell'idrogeno negli aeroporti, sistemi di rifornimento isolati, protocolli di sicurezza – non fu mai realizzata. Il prototipo del Tu-155 fu messo a terra, infine parcheggiato presso l'Istituto di ricerca aeronautica Gromov e in gran parte dimenticato.
L'eco moderna
A quasi quarant'anni di distanza, l'industria aeronautica ha riscoperto ciò che gli ingegneri sovietici avevano già dimostrato: l'idrogeno può volare. Airbus si è impegnata a mettere in servizio un aereo di linea a idrogeno entro il 2035 nell'ambito del suo programma ZEROe. Rolls-Royce ed easyJet hanno testato con successo a terra un motore turboelica AE 2100-A alimentato a idrogeno nel 2022. ZeroAvia sta testando in volo propulsori a celle a combustibile a idrogeno su aerei da trasporto regionale Dornier 228 modificati.
Ciascuno di questi programmi si trova ad affrontare le stesse sfide che il team del Tu-155 risolse negli anni '80: stoccaggio criogenico, alimentazione del carburante, dinamica della combustione e l'ingombrante problema volumetrico dell'idrogeno liquido. La differenza è che nel 2026 la motivazione non è la sicurezza energetica, bensì la sopravvivenza ai cambiamenti climatici, e gli strumenti ingegneristici disponibili (fluidodinamica computazionale, materiali compositi avanzati, stoccaggio di idrogeno allo stato solido) sono di una generazione successiva rispetto a quelli a disposizione del team di Tupolev.
Il Tu-155 viene spesso citato nella letteratura moderna sull'aviazione a idrogeno, ma raramente gli viene riconosciuto il merito che merita. Non era uno studio concettuale. Non era un dimostratore in scala ridotta. Era un aereo di linea a grandezza naturale, trimotore, che volava a idrogeno e dimostrava la validità del concetto, trentotto anni prima che chiunque altro riuscisse a fare lo stesso.
Il prototipo si trova ancora a Zhukovsky, deteriorato e in gran parte dimenticato. Se Airbus riuscirà a realizzare lo ZEROe entro il 2035, gli ingegneri che lo hanno reso possibile potrebbero voler visitare Mosca e rendere loro omaggio. L'Unione Sovietica ci è arrivata prima.
Fonti: archivi dell'ufficio di progettazione Tupolev, Aviation Week, Flight International, Royal Aeronautical Society
Domande correlate
Che cos'era il Tupolev Tu-155?
Il Tupolev Tu-155 era un aereo di linea sovietico Tu-154 modificato, che divenne il primo aereo di linea di grandi dimensioni a volare alimentato a idrogeno. Il 15 aprile 1988 decollò dall'aeroporto di Zhukovsky a Mosca con uno dei suoi tre motori in funzione a idrogeno liquido, completò un circuito e atterrò senza incidenti. Rimane l'unico grande aereo di linea ad aver volato a idrogeno.
Quando ha effettuato il primo volo di un aereo di linea alimentato a idrogeno?
Il primo aereo di linea a idrogeno ha volato il 15 aprile 1988, quando il Tupolev Tu-155 sovietico ha effettuato il suo volo inaugurale a idrogeno dall'aeroporto di Zhukovsky, vicino a Mosca. In totale, in quel mese di aprile furono effettuati cinque voli con idrogeno liquido. L'Unione Sovietica raggiunse questo traguardo quasi quarant'anni prima che i programmi occidentali per aerei a idrogeno arrivassero alla fase di collaudo in volo.
Perché i sovietici utilizzavano idrogeno e gas naturale come carburante per gli aerei?
L'interesse sovietico per i combustibili criogenici era motivato principalmente dalla sicurezza energetica piuttosto che da ragioni ambientali. Le vaste riserve di gas naturale dell'URSS rendevano il gas naturale liquefatto un'alternativa interessante al cherosene, la cui produzione richiedeva una limitata capacità di raffinazione del petrolio. L'idrogeno, producibile tramite elettrolisi utilizzando energia nucleare, offriva un combustibile ancora più strategicamente indipendente e, inoltre, ha un potere calorifico circa 2,8 volte superiore a quello del cherosene per chilogrammo.
Il Tu-155 ha volato anche con carburanti diversi dall'idrogeno?
Sì. Dopo i voli a idrogeno liquido, il Tu-155 ha effettuato oltre 100 voli a gas naturale liquefatto (GNL) tra il 1989 e il 1990. Questi voli a GNL sono stati di grande importanza operativa, coprendo rotte da Mosca a Bratislava, Hannover e Nizza, e dimostrando che il carburante criogenico poteva sostenere un normale profilo di volo commerciale.
Che fine ha fatto il programma sovietico per gli aerei a idrogeno?
Il programma si concluse con l'Unione Sovietica. Un derivato di produzione previsto, il Tu-156, destinato a trasportare fino a 164 passeggeri ed entrare in servizio a metà degli anni '90, non uscì mai dal tavolo da disegno. Il crollo dell'Unione Sovietica nel 1991 pose fine ai finanziamenti, le infrastrutture criogeniche necessarie non furono mai costruite e il prototipo fu messo a terra e in gran parte dimenticato. Come il Concorde sovietico, era un'idea audace che venne superata dall'economia.
Dai tempi del Tu-155, qualche altro aereo di linea ha mai volato a idrogeno?
Nessun aereo di linea di grandi dimensioni ha volato a idrogeno dai tempi del Tupolev Tu-155. Tuttavia, gli sforzi in questo campo stanno progredendo: Airbus si è impegnata a realizzare un aereo di linea a idrogeno entro il 2035 nell'ambito del suo programma ZEROe, Rolls-Royce ed easyJet hanno testato a terra un motore a idrogeno nel 2022 e startup come ZeroAvia stanno sviluppando sistemi di propulsione a idrogeno per velivoli più piccoli.
Quali sono i vantaggi dell'idrogeno come carburante per l'aviazione?
L'idrogeno offre due vantaggi principali come carburante per l'aviazione. In primo luogo, contiene circa 2,8 volte l'energia per chilogrammo del cherosene, migliorando l'efficienza energetica in rapporto al peso. In secondo luogo, la combustione dell'idrogeno produce solo vapore acqueo anziché anidride carbonica, eliminando le emissioni di CO2 nel punto di utilizzo. Gli svantaggi sono lo stoccaggio e le infrastrutture: l'idrogeno deve essere mantenuto a temperature criogeniche e richiede sistemi di rifornimento completamente nuovi.
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