Le automobili sono diventate nel tempo sempre più raffinate e complesse in tutte le loro componenti. In questi ultimi anni lo sviluppo ha dovuto confrontarsi però anche con normative legislative che non sempre hanno portato il meglio. Nell’articolo redatto da Edoardo Agostini, ingegnere affermato nel settore automotive e aerospace, si passa dalla storia al presente e si scoprono anche utili informazioni sulle ultime tecnologie che non tutti conoscono ma che è bene sapere soprattutto quando si deve scegliere un’auto e si vuole avere il meglio. Lasciamo quindi spazio all’approfondimento di Edoardo. “Ai giorni nostri, i fanali sono uno degli elementi più distintivi delle vetture, basta uno sguardo nello specchietto retrovisore per intuire se la vettura che ci segue sia un BMW con i famosi Angel Eye, o una Porsche coi 4 diodi, questo trend continuerà perché l’elemento funzionale è sempre più elemento anche di design.
I prototipi delle prime automobili (“carrozze meccanizzate”) non avevano fari - perché si muovevano solo durante le ore diurne. In seguito, nell’ultimo decennio dell’800, le prime automobili iniziarono ad essere dotate di lampade primitive – a cherosene, ad olio, e poi acetilene. Queste ultime erano molto faticose da usare: per accendere il fanale, bisognava aprire la valvola di alimentazione dell'acetilene, poi i tappi di vetro dei fanali stessi, e, infine, accendere la fiamma con un fiammifero. Allo stesso tempo, l'acetilene veniva prodotto in viaggio tramite reazione chimica, in un serbatoio separato, diviso in due sezioni, che era necessario riempire con carburo di calcio ed acqua prima del viaggio. Nel 1908 venne inventato un nuovo principio di funzionamento delle torce ad acetilene: dotandole di riflettore e lenti per controllare la direzione della luce: indirizzando il fascio luminoso in avanti e non intorno. Nel 1912, una lampadina elettrica fu inserita al posto della fiamma, utilizzando un riflettore ed una lente. La leggendaria Rolls-Royce Silver Ghost e la Cadillac Model 30 furono tra le prime ad avere fari elettrici nel pacchetto standard. La lampada elettrica a incandescenza fu inventata già nel XIX secolo, ma l'auto aveva bisogno di un generatore di corrente continua. Pertanto, a metà degli anni '10, i fari a incandescenza apparvero solo sulle auto di alta gamma e solo negli anni '20 cominciarono a essere installati in modo massiccio. Il riflettore si arrugginiva rapidamente perché i fari non erano ermeticamente sigillati, quindi la luce già debole diventava ancora più fioca e, soprattutto, si formava un alone intorno ai fari, che accecava le auto in arrivo. La soluzione fu l’introduzione dei fari sigillati, così da impedire l’ingresso di umidità. I fari con fascio di luce abbagliante/anabbagliante apparvero solo negli anni '20, prima di allora a causa delle enormi tolleranze, tutte le regolazioni nella direzione della luce semplicemente non avevano senso. A questo scopo, nel 1919, Bosch introdusse una lampada a due filamenti. Le lampadine dei fari sigillati differivano poco dalle lampade domestiche: all’interno del bulbo di vetro, riempito con un gas inerte, era presente un filamento di tungsteno, ma il riflettore era installato proprio all'interno del bulbo, per prevenire l’ossidazione. Tali lampade, come quelle domestiche ordinarie, perdevano gradualmente la loro luminosità, poiché il tungsteno evaporava dal filamento e si depositava sulle pareti del bulbo. A metà degli anni '50, fu introdotta una soluzione rivoluzionaria, che è ancora usata oggi. L'idea era di creare un fascio di luce asimmetrico in modo che i fari del guidatore illuminassero la strada più vicina di quelli del passeggero, al fine di attenuare l’abbagliamento delle vetture in senso contrario. Dal 1957, questo tipo di distribuzione della luce è stato incluso in tutti i regolamenti tecnici europei per le automobili prodotte in serie. Nel 1962, Hella ha introdotto la prima lampada alogena per auto. La sua efficienza luminosa è aumentata di 1,5x rispetto alle lampade delle generazioni precedenti, la durata è raddoppiata, l’emissione di calore è diminuita e la lampada stessa è diventata molto più compatta. Le lampade alogene rimangono ancora oggi lo standard nel campo dell'illuminazione automobilistica. Le lampadine col vetro al quarzo resistente al calore permisero di mantenere una temperatura molto alta del filamento, in modo che la composizione del colore della luce fosse molto più vicina alla luce naturale del giorno. Una temperatura più alta significava anche che le lampade alogene avevano una maggiore efficienza luminosa per unità di energia assorbita. Una lampada alogena emette luce a una temperatura di 3400 K (la temperatura di colore della luce solare naturale è di circa 6000 K). D'altra parte, il filamento di tungsteno evaporava più rapidamente a causa dell'aumento della temperatura, e per resistere a questo, le lampadine alogene erano riempite non solo con un gas inerte, ma anche con vapori di bromo o iodio. L'alogeno forma composti con i vapori di tungsteno, e al contatto con il filamento caldo, questi composti si disintegrano di nuovo. Di conseguenza, il tungsteno si depositava di nuovo sullo stesso filamento. Nel 1993, Opel è stata tra le prime case a introdurre una lente in policarbonato su un'auto di serie, il modello Omega (che gli appassionati ricorderanno più per la versione Lotus). Questo migliorò la trasmissione della luce del faro e ridusse radicalmente il suo peso totale: quasi di un chilogrammo. Ma anche comportò problemi nel tempo perché il policarbonato ha una durata inferiore del vetro e tende ad opacizzarsi anche a causa degli UV. Nel 1967, la Citroen con la DS fu la prima casa ad introdurre sul mercato i fari direzionali, in cui il fascio di luce è diretto a destra/sinistra seguendo la corrispondente rotazione del volante. Il sistema era azionato tramite tiranti tra la scatola di sterzo ed i fari, senza alcun ausilio elettronico. Tale soluzione è poi stata ripresa successivamente, con fanali spot o lenticolari motorizzati ormai largamente diffusi sulle vetture di segmento medio alto, mentre sulle auto di fascia inferiore la funzione di illuminazione in curva è affidata alle luci laterali aggiuntive o ai fendinebbia. Nelle auto moderne si è iniziato ad offrire come optional l’impianto di illuminazione dotato di lampade HID (High Intensity Discharge, o lampade allo xenon) che garantiscono un considerevole aumento della luminosità a confronto delle classiche lampadine alogene. Le lampade HID non hanno alcun filamento, un arco ad alta tensione emette luce in un'atmosfera di gas inerte. L'accensione di queste lampade richiede un'alta tensione e un'alta corrente di avviamento (quando la lampada è già in funzione, consuma molta meno energia e produce più luce di quella ordinaria alogena). Inoltre, l'arco elettrico produce un flusso luminoso più uniforme, che è più facile da focalizzare. Tuttavia, ci volevano alcuni secondi perché la lampada si accendesse all’inizio oggi molto meno, si riscaldi e inizi a produrre piena potenza. Pertanto, in alcune auto le lampade HID sono utilizzate per il fascio anabbagliante, e le lampade alogene ordinarie sono lasciate per il fascio abbagliante. Un'opzione alternativa è un otturatore elettrico (le cosiddette Bi-xenon). In questo caso, la lampada allo xeno può avere una distribuzione della luce sia per le modalità anabbaglianti che per quelle abbaglianti. Il vantaggio principale della lampada allo xeno è la conformità con la luce del giorno: più la tonalità della luce dei fari si avvicina alla luce del giorno, meno stanca gli occhi del conducente. Negli ultimi anni però, gli impianti allo xenon sono stati progressivamente sostituiti dai LED, grazie agli evidenti vantaggi (peso ridotto, resistenza alle vibrazioni, elettronica più semplice, lunga durata, bassissimo consumo di energia). Le prime auto di produzione con ottica a LED furono, come al solito, modelli di lusso. Nel 1992, la BMW Serie 3 Cabrio fu dotata del terzo stop a LED, nei primi anni 2000, le luci diurne a LED apparvero sull'Audi A8 W12, e nei fanali posteriori della Lancia Thesis. Sulla Lexus LS 600h del 2008, i gruppi ottici anteriori per la prima volta al mondo sono diventati completamente a LED. Le caratteristiche distintive dei LED sono l'efficienza, la luminosità, la durata, la resistenza a urti e vibrazioni rispetto ai fanali alogeni. Questa innovazione ha liberato la creatività dei designer, permettendo loro di creare luci in qualsiasi stile. I fari a LED hanno un design semplice: non hanno bisogno di moduli aggiuntivi, quindi sono più facili da installare e mantenere. Consumano molta meno energia, si riduce il carico sul sistema di bordo e, di conseguenza, il consumo di carburante. Inoltre, i LED si accendono da 400 a 500 millisecondi più velocemente di una lampada a incandescenza. Questo è un dettaglio non trascurabile, se si considera che ad una velocità di circa 100 km/h, si percorrono quasi 14 metri. Solo i più attenti avranno però notato una semplificazione che ha portato un risparmio economico alle case automobilistiche, che non si riflette però sui clienti finali: gli impianti allo xenon son sempre stati offerti con il sistema lavafari e di regolazione automatica dell’altezza del fascio luminoso, 2 sistemi ausiliari obbligatori per sorgenti luminose superiori ai 2000 Lumens, in accordo con quanto dichiarato al punto 6.2.9 del Regolamento N° 48 della Commissione Economica Europea. Al contrario non tutti i fanali a LED presentano l’impianto lavafari, quelli che ne sono sprovvisti hanno una sorgente luminosa inferiore ai 2000 Lumens. Questo dettaglio però non viene dichiarato dalle case automobilistiche nel pubblicizzare l’optional, che anzi enfatizzano solo un incremento della visibilità notturna grazie ad un migliore controllo dell’orientamento della luce con i sistemi LED. Alcune case automobilistiche tedesche, Audi e BMW, hanno già introdotto sul mercato i fari laser. Si tratta di una nuova tecnologia, introdotta per la prima volta nella 24 Ore di Le Mans del 2014 da Audi, dove nelle ore notturne una buona illuminazione risulta strategica. BMW iniziò ad offrire i fari laser come optional per l'ibrido sportivo i8, ad oggi gli ultimi modelli dal Serie 3 in su presentano tale pacchetto opzionale. I diodi laser hanno una portata di 600 metri, ma uno svantaggio significativo dei fari laser è il loro costo, essendo una tecnologia molto recente. Il termine laser può trarre in inganno, i fasci coerenti di luce monocromatica (lunghezza d’onda di 450 nanometri), percepita come blu dall’occhio umano, non sono adatti per l’utilizzo su veicoli siccome sarebbero poco illuminanti al di fuori di un punto molto specifico a una certa distanza. Serve invece la luce bianca, preferibilmente con temperatura di colore di circa 5500 K. I fari laser consistono in uno o più diodi laser a stato solido montati all'interno del faro. Questi laser blu (diodi al nitruro di indio gallio con livelli di potenza superiori a 1 watt) sono indirizzati su un convertitore di fosforo giallo, che una volta eccitato dai fotoni del laser, riemette fotoni con una lunghezza d’onda differente, una luce bianca potente e che può essere indirizzata dai riflettori dei fari verso la strada. I fari laser costruiti in questo modo hanno diversi vantaggi: sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai LED che emettono la stessa quantità di luce, e sono anche più compatti. In pratica, viene utilizzata una normale lampada a LED per i fari anabbaglianti, con il laser utilizzato per creare un fascio incredibilmente luminoso e focalizzato, utilizzato per i fari abbaglianti. L’attivazione è automatica non appena la vettura supera i 70 km/h e la telecamera on-board è in grado di rilevare in modo affidabile l’assenza di traffico in senso contrario. In questo modo si può garantire un'illuminazione doppia rispetto agli abbaglianti convenzionali del LED. Una delle sfide nell'implementazione di tale tecnologia in un ambiente automobilistico è la necessità di operare a temperature estreme, dovendo essere in grado di resistere da -40°C fino a +100°C. Fortunatamente, l'alta efficienza del laser significa che non genera grandi quantità di calore proprio, che complicherebbe ulteriormente le cose. È anche importante garantire, come per qualsiasi dispositivo di questo tipo, che l'utente finale non possa essere esposto a radiazioni laser dannose in caso di incidente o di malfunzionamento. Tornando ai LED, grazie alla flessibilità di progettazione dei diodi, sono stati creati i primi sistemi a matrice di LED a che non abbagliano i conducenti in senso contrario: il sistema è composto da una telecamera sul parabrezza, un processore, unità elettroniche e LED. La telecamera trasmette le informazioni sul traffico a un'unità di controllo che accende e spegne i singoli LED. Per esempio, se la telecamera vede un veicolo in arrivo, l'unità di controllo spegne il modulo che illumina quel tratto di strada, così da creare un cono d’ombra per il veicolo che sopraggiunge in senso opposto. Nuovi sviluppi sono l'introduzione di un display LCD nel design dei fari a LED, permettendo di proiettare sulla strada indicazioni e segnali di avvertimento utili per il conducente e gli altri utenti anche per i grupi ottici posteriori e c'è chi immagina oltre all'accensione degli stop proiezioni di cuoricini sull'asfalto!
