Zanelli: “I liceali dei razzi”

di Edoardo Piva, Mattia Cierciello, Samuel Maestri, Anna Fratti e Alessandro Sivieri (3S – Liceo Scientifico Roiti di Ferrara – anno 2023)

 

Abstract:

The Scientific High School A.Roiti has been actively involved in a project aimed at promoting scientific knowledge, giving students the task to write articles, talking about scientific projects developed in italian’s high schools.

People have always looked at space as a difficult challenge to overcome. This inspired a teacher from the Zanelli Institute of Reggio Emilia, to suggest a project concerning the realization of home-made rockets; four students, after taking part in the construction of the first rocket, (called Z-ONE) decided to create a start-up called Zanas, named after the school and NASA.
Their goal is to create the best rocket they can, using recycled materials and using advanced technologies, to help control the rocket mid-air.

At first the project was not meant to last more than the last days of school, but the students developed a strong passion for what they were doing and now they work daily on their latest accomplishment,  the Z-THREE. We had the opportunity and the pleasure to discover the secrets that are hidden behind the realization of a rocket, by talking directly to the founders of Zanas Inc.

The work they have done is a good example, of what people can achieve when they try their hardest to fulfil their passion.

 

Zanas, fondata da studenti del Liceo A. Zanelli di Reggio Emilia , è il nome della futura start-up che verrà portata avanti da quattro ragazzi che, da un anno a questa parte, hanno creato vari veicoli spaziali dall’inizio del progetto, il 4 giugno 2022.

Il primo di questi fu chiamato Z-ONE, e ha dato inizio alla serie di veicoli Z, che ha continuato ad arricchirsi di nuovi elementi fino ad oggi.

Infatti, nel corso dei mesi precedenti, il gruppo ha portato a termine anche la costruzione di Z-TWO, Z-2.5 e Z-2.75.

Adesso il team è al lavoro sul progetto Z-THREE, un razzo con propulsori autoprodotti ed equipaggiato con un sistema basato su Arduino. Abbiamo avuto l’occasione di parlare con i primi partecipanti di Zanas nonché ideatori e fondatori del sito e di tutto ciò che lo riguarda, cioè gli studenti Alessio Anceschi, Pietro Fiorini, Leonardo Montecchi e Andrea Franceschetti della classe 4I, i quali ci hanno con piacere aiutato nella raccolta delle informazioni utili alla stesura di questo articolo, rispondendo alle nostre numerose domande.

Per quanto riguarda la nascita del progetto, i ragazzi hanno così raccontato:

Essendo giunti al termine dell’anno scolastico e avendo esaurito il programma di fisica, il nostro professore ci ha proposto l’idea di realizzare un razzo, quello che poi è diventato lo Z-ONE. Ciò che all’inizio era destinato a durare solo quei 10 giorni di fine del terzo anno,  rappresenta ad oggi una passione ed un progetto a cui ci dedichiamo giornalmente e che incredibilmente ha cambiato ognuno di noi.

Alla realizzazione del primo razzo hanno partecipato i 4 ragazzi dell’attuale 4I e un altro gruppetto della ex 5I: un passatempo fine a se stesso che dall’anno prossimo diventerà un vero e proprio progetto di studio dello “Zanelli” e coinvolgerà le classi terze.

Fondamentale, a detta dei ragazzi, la figura del loro professore di fisica, nonché referente ed ideatore del progetto, Giulio Donelli:

Ancora oggi ci troviamo  spesso con lui per confrontarci, chiedere consigli ed esporgli tutti i nostri dubbi. Era anche solito agli inizi condividere con noi link a siti e articoli per aiutarci e darci spunti da seguire.

 

Lo sviluppo del primo razzo ha compreso diverse parti:

• La prima, svolta in classe, è stata incentrata sulla fisica teorica che sta dietro un razzo e che comprende, tra gli altri, principi come quello della conservazione dell’energia meccanica e del momento angolare; i lanci dei razzi nell’atmosfera terrestre coinvolgono diversi principi fisici e concetti che sono fondamentali per il loro funzionamento. Ecco alcuni aspetti chiave della fisica che si applica ai lanci dei razzi:

• • Leggi del moto di Newton: I lanci dei razzi si basano sulle leggi del moto formulate da Isaac Newton. La prima legge del moto afferma che un oggetto rimane in stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che una forza esterna non agisca su di esso. La seconda legge del moto stabilisce la relazione tra la forza, la massa e l’accelerazione di un oggetto: F = m * a. La terza legge del moto afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.

• • Propulsione dei razzi: I razzi utilizzano il principio di azione e reazione della terza legge del moto di Newton per generare spinta. I motori a razzo espellono gas ad alta velocità dalla loro parte posteriore, creando una forza di reazione che spinge il razzo in avanti. La spinta generata è proporzionale alla quantità di gas espulsa per unità di tempo e alla velocità di espulsione.

• • Legge di conservazione del momento angolare: durante il volo di un razzo, la conservazione del momento angolare è un principio fisico importante. Il momento angolare è il prodotto tra la velocità angolare e il momento d’inerzia di un oggetto. Quando un razzo è in volo, la sua velocità angolare può cambiare regolando l’orientamento dei suoi motori o delle superfici di controllo. La conservazione del momento angolare garantisce che, se il razzo cambia la sua velocità angolare in una direzione, deve compensare tale cambiamento in un’altra parte del sistema.

• • Aerodinamica: durante il volo attraverso l’atmosfera terrestre, la forma e il profilo aerodinamico del razzo diventano importanti. L’aerodinamica studia il movimento dei gas e delle forze aerodinamiche che agiscono su un oggetto in movimento attraverso l’aria. I razzi sono progettati per ridurre la resistenza aerodinamica, in modo da minimizzare l’attrito tra il razzo e l’aria durante il volo.

• • Gravità e traiettoria: durante il lancio di un razzo, la forza di gravità terrestre influenza la traiettoria del razzo. La gravità tira costantemente il razzo verso il basso, il che richiede una spinta sufficiente per contrastarla e mantenere il razzo in salita. La traiettoria del razzo dipende dalla velocità iniziale, dall’angolo di lancio e dalla massa del razzo.

• • Resistenza all’aria: durante il volo attraverso l’atmosfera terrestre, i razzi devono superare la resistenza dell’aria. La resistenza all’aria, o attrito aerodinamico, è una forza opposta al moto del razzo e agisce nella direzione opposta alla sua velocità. Minimizzare la resistenza all’aria è importante per massimizzare l’efficienza del razzo e ridurre il consumo di carburante.

• Una seconda parte è basata sulla raccolta dei materiali ed il successivo assemblaggio del razzo; i ragazzi hanno svolto quest’ultima fase principalmente in orario extrascolastico.
• La fase finale consiste nel lancio del veicolo e, conclusa questa… Si ricomincia nuovamente!
  Ed infatti non si è perso tempo e solo poche settimane dopo, verso fine agosto, ha avuto luogo il lancio del Z-TWO.

Questo secondo razzo ha rappresentato una sfida molto più ambiziosa per i ragazzi, in quanto sono state parecchie le novità e le migliorie apportate.

Innanzitutto, la divisione in due stadi del veicolo, con il primo dotato di 4 motori ed un quinto nel secondo; il massiccio uso di stampa 3D (ampiamente sfruttata già per lo Z-One), impiegata anche nella realizzazione della pulsantiera elettrica, necessaria all’accensione dei motori.

I ragazzi, alla nostra domanda su come fossero cambiate le tempistiche e le procedure di costruzione con il passare del tempo e l’accumulo di esperienza progetto dopo progetto, hanno dato una risposta che ci ha fatto riflettere e inaspettatamente ispirato:

Più andiamo avanti e più le idee e la voglia di andare oltre i nostri limiti aumentano, e di conseguenza i tempi e l’impegno.

ciò che all’inizio richiedeva poche ore, ad oggi ci tiene al lavoro per diversi mesi; attualmente ciò è dovuto principalmente allo sviluppo della parte elettronica.

Ovviamente la struttura in sé è la parte che richiede meno tempo e che, all’inizio come oggi, realizziamo principalmente attraverso materiali di recupero, al fine di ridurre al minimo indispensabile le spese, che riguardano più che altro le componenti elettroniche.

Ma la parte più interessante al di là dei razzi, è sicuramente il grande lavoro del sito e la start-up che i ragazzi vogliono realizzare:

È nato tutto come un semplice modo per farci sentire e conoscere, comunicare la nostra passione.

L’idea è nata nello stesso periodo in cui stavamo lavorando allo Z-TWO ed infatti i piani erano quelli di progettarlo ed ultimarlo in modo tale da averlo pronto proprio per il lancio, e così è stato.

Un altro punto importante, su cui abbiamo voluto sapere qualcosa in più, riguarda le difficoltà e le problematiche che hanno dovuto fronteggiare i ragazzi durante gli sviluppi dei loro veicoli e anche qui la risposta è stata piuttosto netta ed interessante:

Senza dubbio il problema principale con cui ci siamo scontrati è l’apertura del paracadute, come dimostra il lancio dello Z-TWO.

Il software incaricato di progettare e simulare il volo aveva previsto che il razzo sarebbe andato in alto, ma non quanto effettivamente poi è stato.

Il razzo dopo poco non era più visibile ed abbiamo immediatamente capito che si era verificato un malfunzionamento del paracadute, e che il razzo era fuori controllo.

Siamo però stati fortunati e dopo oltre 48 ore di ricerche siamo riusciti a ritrovare il “cadavere” dello Z-TWO, a quasi mezzo chilometro dal punto di lancio.

Uno degli ultimi problemi è quello che invece riguarda la traiettoria, oppure quello che concerne i motori: dal momento che questi sono diversi e ad impulsi variabili, bisogna tenere conto della stagionatura del carburante per determinare al meglio quando realizzare ognuno di loro.

La propulsione nei primi modelli avveniva tramite motori a combustibile solido che venivano acquistati online, successivamente nei modelli piú avanzati decisero di progettare loro stessi il motore. Per ottenere il combustibile si mescolano due componenti, il carburante e l’ossidante, il composto viene preparato poco prima del lancio e per un buon risultato è necessario mescolarli in precise proporzioni. Inizialmente optarono lo zucchero da cucina (saccarosio) come carburante e come ossidante il nitrato di potassio, mescolandoli si ottiene il combustibile che, acceso dentro una camera di combustione, rilascia gas ad alta temperatura che spinge il razzo verso l’alto. Nei nuovi modelli hanno deciso di sostituire il saccarosio con il sorbitolo per il suo punto di fusione minore che rende la creazione di combustibile piú facile.

Progetto ZANAS

↑↑↑ linkato il file pdf riassuntivo del progetto ZANAS per un ulteriore comprensione delle funzionalità dei razzi.

Il progetto ha avuto un forte impatto a livello scolastico sui ragazzi coinvolti, che hanno rivolto le loro attenzioni a studi futuri che interessano le materie coinvolte nel progetto.­

Si è trattato inoltre di un progetto che ha consentito ai ragazzi di affrontare un processo di crescita personale. I partecipanti hanno avuto l’occasione di confrontarsi ed essere intervistati da numerose persone, anche estranee, a cui hanno necessariamente dovuto spiegare il loro lavoro, affinando la loro tecnica oratoria. Possiamo quindi considerare tutte queste esperienze come un grande arricchimento personale per l’intero team di studenti.

Dopo aver avuto il grande piacere di conoscere i ragazzi direttamente interessati e di parlare più approfonditamente del progetto con loro, confidiamo nel futuro di quest’idea e ci auguriamo che possa diventare un’ importante occasione di sviluppo per tutti coloro che avranno la fortuna di parteciparvi.

Tutti i video dei lanci ↓↓↓↓