Agenti del cambiamento

Ajay Raghavan: reinventare le batterie

“Nel 2012, il nostro obiettivo era quello di cambiare questa mentalità tradizionale. Io non ero altro che un’altra persona esterna che proponeva l’ennesima idea.”

Rendere più efficienti le batterie

Ajay Raghavan è uno scienziato di PARC, una società Xerox, nonché uno dei centri di ricerca più importanti del mondo. Nel 2012 Ajay ha iniziato a applicare le sue competenze nei sensori e nelle strutture intelligenti al miglioramento dell’efficienza delle batterie. I risultati hanno superato le migliori aspettative, nonché quelle dei suoi colleghi di PARC.

Ecco un comune problema del mondo moderno. Il vostro telefonino o computer portatile segnalano che rimane solo il 10% di carica, quindi si spengono improvvisamente quando aprite un’applicazione che consuma molto. Tuttavia, dopo qualche minuto, siete miracolosamente in grado di riaccenderlo.

Questo è un segno che il sistema di gestione della batteria del dispositivo non funziona correttamente. Si tratta di episodi fastidiosi. Tuttavia, le conseguenze della gestione inefficiente delle batterie non si limitano ai fastidi quotidiani degli utenti di cellulari e portatili; possono di fatto condurre a problemi di larga scala a livello industriale, così come a inefficienze che costano ogni anno al mondo miliardi di dollari.

In particolare, l'inesattezza dei sistemi di gestione delle batterie ha rallentato l’adozione dei sistemi per lo storage di rete, così come il passaggio alle vetture elettriche a livello mondiale.

La corsa al miglioramento dell’efficienza delle batterie ha notevoli implicazioni per la salute del pianeta.

Ecco perché Ajay Raghavan, esperto nel campo dei sensori e delle strutture intelligenti, provò un senso di eccitazione nel 2012 quando ebbe l’idea di inserire sensori a fibra ottica nelle batterie per migliorare i sistemi di gestione. Più Ajay pensava a questa idea, più si entusiasmava. Questo momento si rivelò la prima fase di un lungo viaggio nel campo dell’innovazione.

È la storia dell’ingenuità di uno scienziato e del suo team, ma è anche la storia del coraggio, della convinzione e della perseveranza necessari per sfruttare i momenti di ingenuità e trasformarli in innovazioni in grado di cambiare il mondo.

Battery

Ajay quando hai iniziato a interessarti di ingegneria?

Si può dire che sia una tradizione di famiglia. Mio papà era un ingegnere. Ha lavorato per Air India quasi tutta la sua vita. Ho degli zii e altri parenti che sono ingegneri. Il mio interesse è nato quindi molto presto. Alle superiori ero molto interessato alla scienza e alla matematica in generale. Mi incuriosiva molto il funzionamento delle cose... smontavo gli oggetti e li ricostruivo. Ero inoltre interessato al lato creativo della progettazione, alla realizzazione di oggetti efficienti e interessanti.

Mi sono laureato in ingegneria meccanica all’Indian Institute of Technology Bombay. Ciò ha rivestito un ruolo importante nel mio futuro d’ingegnere. È davvero una delle facoltà d’ingegneria migliori al mondo.

Quando hai iniziato a interessarti ai sensori?

Ricordo di avere seguito un seminario tenuto da un professore di ingegneria civile, il quale parlò dell’idea di inserire dei sensori nei ponti affinché gli operatori fossero sempre al corrente delle loro condizioni, anziché dover inviare regolarmente del personale addetto alla manutenzione. Parlò di come ciò fosse applicabile a una gamma più vasta di strutture, come gli aerei e le navicelle spaziali. I sensori eseguono un monitoraggio continuo, quindi degli algoritmi possono elaborare questi flussi di informazioni complesse per comprendere lo stato della struttura in qualsiasi momento.

Questa fu la mia introduzione all’idea delle strutture e dei sistemi intelligenti. Mi colpì davvero e decisi di saperne di più.

Come sei arrivato a Xerox?

Dopo il conseguimento della laurea frequentai la University of Michigan ad Ann Arbor, dove lavorai a un progetto di ricerca per il mio dottorato, finanziato dalla Nasa e riguardante il modo in cui queste idee potessero essere applicate alle strutture aeronautiche e aerospaziali in generale. Tuttavia, nel settore aerospaziale, le normali tempistiche per l’adozione delle nuove tecnologie vanno dai 15 ai 30 anni. Ciò, per me, era inaccettabile. Desideravo che le tecnologie a cui mi dedicavo fossero realizzate e adottate più rapidamente. Fu in quel periodo che si presentò un’opportunità come ricercatore presso PARC.

Battery and sattelite

Nel corso del mio colloquio feci un breve giro del laboratorio con uno dei responsabili scientifici, il Dott. Peter Kiesel, che si stava occupando di alcune idee interessanti sui sensori ottici compatti a basso costo. Avevo letto dei sensori ottici quali opzione per i sistemi e le strutture smart. Vidi quindi immediatamente l’opportunità di condurre un progetto potenzialmente grande.

Quali tipi di tecnologie avevi in mente?

Collaborai con il Dott. Kiesel per esplorare alcune possibili applicazioni di tecnologie con sensori ottici a basso costo. Alcune proposte fallirono lungo il percorso. Scoprimmo ad un certo punto che l’ARPA-E [l’Advanced Research Projects Agency-Energy, un ente del Ministero dell’Energia che finanzia progetti ad alto rischio e con potenziale elevato rendimento] era interessato a valutare sistemi di gestione delle batterie per veicoli elettrici, storage di rete e altre applicazioni avanzate.

Avevo già pensato di proporre l’inserimento di sensori nelle celle delle batterie ma, a quel punto, iniziai a prenderlo seriamente in considerazione. Suggerii quindi in modo molto tranquillo che forse sarebbe stata una buona idea inserire un sensore.

Puoi spiegare cos’è un sistema di gestione delle batterie?

Un sistema di gestione delle batterie esegue il monitoraggio dello stato di salute delle batterie utilizzando parametri quali tensione, corrente e temperatura. Migliore è il sistema, quanto più può proteggere le batterie, consentire loro di operare al massimo dell’efficienza e prolungarne la durata. Quando i sistemi di gestione delle batterie non sono in grado di svolgere il proprio lavoro, le conseguenze possono essere alquanto catastrofiche. Recentemente, i problemi di batteria del Boeing 787 sono costati più di 1 miliardo di dollari al settore dell’aeronautica. Per non parlare degli incendi dei veicoli elettrici e di tanti altri problemi di sicurezza. Ci sono stati anche degli incendi legati alle batterie con storage di rete. Ogni anno si spendono miliardi di dollari per cercare di migliorare la tecnologia delle batterie. Si tratta di un campo di ricerca molto importante.

Cosa impedisce ai sistemi di gestione delle batterie di fare il proprio lavoro?

Tensione, corrente e temperatura sono tutti parametri elettrici monitorati dall’esterno delle celle, i quali non forniscono sufficienti informazioni sullo stato di salute delle batterie in un determinato momento. A causa di ciò, la progettazione delle batterie è solitamente molto conservativa e il loro utilizzo è molto prudente, ovvero non si sfrutta quasi mai il massimo potenziale delle batterie.

Battery and smartphone

Si presenta quindi il problema dei portatili e telefonini che si spengono quando si apre un’applicazione che consuma molto. Tuttavia, una versione molto più grande di questo problema colpisce i veicoli elettronici o lo storage in rete, poiché i carichi e le limitazioni sono molto più aggressivi.

Nel settore delle batterie tutti ritengono che vi debba essere un modo migliore per gestirle. Tuttavia nessuno ha mai saputo bene come farlo, perché si è sempre ragionato nei termini tradizionali di “sono disponibili solo questi tre parametri da monitorare dall’esterno delle celle.” Nel 2012, il nostro obiettivo era quello di cambiare questa mentalità tradizionale. Vidi una grande opportunità per l’uso dei sensori a fibra ottica all’interno delle celle delle batterie.

Quale fu la reazione a quest’idea?

Non posso dire che fu una passeggiata. Ci fu interesse tra i colleghi e gli operatori del settore delle batterie, ma anche molta titubanza. A dire il vero, nel campo della ricerca sulle batterie c’è un lungo elenco di persone che hanno proposto idee folli che non hanno condotto a niente. Molte persone hanno provato molti modi per integrare un sensore all’interno di una cella, senza alcun successo. L’interno della batteria è un ambiente ostile ai sensori. Nessuno aveva mai provato i sensori a fibra ottica e io non ero altro che un’altra persona esterna che proponeva l’ennesima idea.

Riuscii a convincere tutti che avremmo almeno dovuto presentare all’ARPA-E una proposta di dieci pagine per cercare di ottenere un finanziamento. Proponemmo questa idea iniziale di integrare sensori a fibra ottica e di utilizzare una versione di lettura a basso costo, collegandola agli algoritmi intelligenti in grado di utilizzare dati grezzi per dedurre ciò che aviene all’interno delle celle delle batterie.

Fiber optics

Inviammo il documento e ricevemmo una risposta incoraggiante dall’ARPA-E, così come il suggerimento di collaborare con un produttore di batterie. Rimaneva una finestra di alcuni mesi per presentare una proposta completa. Penso che al tempo parlammo con almeno tre diversi produttori di batterie. La loro reazione fu un mix d’interesse e paura. Un grande produttore di batterie per auto elettriche ci parlò in cinque occasioni. Ogni volta riconoscevano che fosse affascinante e interessante, ma al tempo stesso avevano paura dei rischi. Il tempo passava e mancavano solo dieci giorni alla scadenza per l’inoltro della proposta. All’interno di PARC avevamo deciso che, senza un accordo di partnership con un produttore di batterie, non saremmo andati avanti con la proposta.

Avevamo tutti il fiato sospeso. Finalmente LG Chem Power, uno dei produttori di batterie con cui stavamo parlando, decise di accettare. Questo successe dieci giorni prima della scadenza. Per farla breve, non dormimmo per i successivi dieci giorni per garantire che la nostra proposta fosse accettabile. Ci riuscimmo al pelo!

Qualche mese dopo, quando l’ARPA-E annunciò il finanziamento, rimanemmo tutti senza parole. Ottenemmo 4 milioni di dollari per un progetto di tre anni, almeno un milione in più rispetto a qualsiasi altro finanziamento. A PARC erano tutti esterrefatti.

Battery and gas pump

Sapevamo che c'erano molti rischi tecnici associati alla proposta e che quindi i successivi tre anni sarebbero stati molto interessanti sotto vari aspetti. Non dimentichiamo che, nel 2012, i veicoli elettrici erano un mercato agli albori.

L’idea era vincente, perché quindi era considerata così rischiosa?

Perché era rischiosa. Ci sono tre cose da garantire: per prima cosa, che non ci saranno effetti negativi sulle prestazioni della batteria, in termini di capacità di ricarica e di velocità/lentezza di scarica del ciclo con un sensore all’interno della cella. In secondo luogo, non deve essere danneggiata l’integrità del sigillo. Per finire, dopo tutto questa fatica, si ottiene un segnale che giustifica lo sforzo di inserire il sensore?

Nel progetto con LG, ci sono state almeno dieci diverse occasioni in cui qualcosa non ha funzionato. Ogni volta che si avviava un’iterazione era un dramma, perché il team di LG che ci aiutava era situato nella Corea del Sud. Ogni volta dovevamo inviargli i sensori, loro li inserivano nelle celle e, poiché si trattava di celle completamente nuove, c’era un periodo di attivazione di un mese prima che le celle fossero pronte per il ciclo. Poi dovevano rispedircele.

Avete mai pensato di non farcela?

Non posso negare che non ci siano stati giorni in cui ho pensato: “Questo progetto finirà il mese prossimo.”  Tuttavia l’ARPA-E, LG Chem e il team dirigente di PARC ci hanno sempre supportato. Non hanno mai avuto dubbi.

Quanto ha avuto successo il progetto SENSOR?

All’inizio del progetto tutti coloro con cui parlavamo all’interno del settore concordavano sul fatto che, se fossimo riusciti a ottenere un’accuratezza delle misurazioni pari ad almeno il 2,5%, si sarebbe trattato di un successo. Per rendere l’idea, ciò che è considerato “state of the art” è il 5% o addirittura peggio. Nessuno nel settore dei veicoli elettrici ammetterà mai apertamente quanto siano pessimi i suoi sistemi, tuttavia in presenza di basse temperature, l’accuratezza non è probabilmente superiore al 10%. Gli algoritmi iniziali da noi sviluppati hanno dimostrato che possiamo ottenere un’accuratezza pari al 2,5% o migliore riguardo all'accuratezza dello stato delle celle in una vasta gamma di condizioni e scenari di utilizzo.

La nostra visione prevede che questa tecnologia sia adottata nei veicoli elettrici e poi chissà dove altro potrebbe essere utilizzata? Abbiamo dimostrato che siamo in grado di ridurre i costi e le dimensioni delle letture ottiche. Molti sistemi di lettura ottica attualmente disponibili sul mercato costano dai 15.000 ai 35.000 $, ovvero una cifra simile al costo di una batteria per veicoli elettrici. Non sono adatti alle automobili, poiché sono progettati solo come strumenti da laboratorio. Tuttavia, con la nostra tecnologia per la lettura di segnali in fibra ottica, è possibile ridurre il costo a poche centinaia di dollari. Ciò è per me motivo di ottimismo e credo che sia possibile utilizzarli sui veicoli elettrici.

Cosa c’è nel futuro del progetto SENSOR?

General Motors ha introdotto la tecnologia SENSOR nel proprio laboratorio di batterie in Michigan. È il migliore laboratorio del mondo: quasi 8.000 metri quadri dedicati unicamente alle prove sulle batterie. Stanno testando una gamma molto più completa di scenari, che noi qui non potremmo testare. Solo il tempo ci dirà se saremo in grado di superare la dura prova della commercializzazione. Tuttavia, anche se dovessimo fallire lungo il percorso, questa tecnologia potrebbe essere estremamente utile come strumento di valutazione per strutture e laboratori in tutto il mondo. Ciò rappresenterebbe comunque un enorme successo. Dobbiamo lavorare con il nostro team commerciale per capire in quale altro modo introdurre questa tecnologia.

Qual è stata la reazione di PARC a questo progetto?

Ha sicuramente gettato le basi per altri progetti ARPA-E presso PARC. Quando abbiamo presentato la nostra proposta all’ARPA-E, non c’erano altri progetti ARPA-E, nonostante fossero stati fatti dei tentativi in precedenza. Oggi ce ne sono otto nell’ambito di PARC. Dal punto di vista dell’ARPA-E, siamo la più grande azienda finanziatrice del settore privato. Ovviamente il merito non è solo del mio team: tanti altri fantastici ricercatori di PARC, manager, personale di supporto e aziende partner hanno collaborato affinché tutto questo succedesse. Tuttavia ritengo che avessimo un ruolo da rivestire.

Complimenti per il progetto.

Grazie. È stato divertente.

Agents of change

Abbiamo tutti cambiato il mondo. Ognuno di noi. Ogni volta che respiriamo, la nostra presenza si diffonde infinitamente.

Tuttavia solo pochi di noi hanno l’opportunità di cambiare in meglio altre vite. E ancora meno si trovano a farlo ogni giorno. È questa la sfida che affrontano ogni giorno i ricercatori di Xerox: provare ad attuare un cambiamento.

In cambio, offriamo loro il tempo e lo spazio per sognare, oltre alle risorse necessarie per trasformare quei sogni in realtà, sia che stiano inventando nuovi materiali con funzionalità incredibili, oppure stiano utilizzando la realtà aumentata per migliorare la memoria dei malati di Alzheimer.

Siamo orgogliosi dei nostri “agenti del cambiamento” sparsi presso i Centri di Ricerca Xerox in tutto il mondo.

Visita PARC per maggiori informazioni sul  progetto SENSOR.