Nel motorsport moderno, ogni millisecondo può cambiare le sorti di una gara. A fare la differenza non sono solo aerodinamica, strategia o talento del pilota, ma anche tecnologie invisibili che operano sotto la superficie: microprocessori, sensori, sistemi ibridi. 

Tutti dispositivi alimentati, nel vero senso della parola, da principi di fisica quantistica.

Come abbiamo visto in precedenza nella rubrica riguardante l’uso dell’Intelligenza Artificiale nel racing, anche questo è un’argomento spesso trascurato nelle discussioni tecniche da paddock. Nonostante ciò, la meccanica quantistica è una delle colonne portanti dell’innovazione in pista. 

Elettronica di potenza e fisica quantistica 

L’elettronica che governa centraline, motori e recupero di energia nei veicoli da competizione è basata su dispositivi che funzionano grazie a fenomeni quantistici fondamentali. 

I transistor MOSFET, ad esempio, sono il cuore di tutti i microprocessori e sistemi di controllo presenti in centraline ECU, inverter e moduli di gestione motore. La loro capacità di regolare il flusso di corrente dipende da proprietà quantistiche del materiale semiconduttore, come la struttura di banda, il drogaggio (ovvero l’introduzione controllata di impurità per modificare la conduttività) e fenomeni come il tunneling quantistico, che consente agli elettroni di attraversare barriere di potenziale che, in condizioni classiche, sarebbero insormontabili. 

Nel contesto del motorsport, queste tecnologie trovano applicazione diretta nella gestione di inverter per motori elettrici, nei sistemi di recupero dell’energia (ERS) e nell’alimentazione delle centraline che controllano i sistemi ibridi e i dispositivi elettronici di bordo. 

Negli ultimi anni, i tradizionali MOSFET in silicio sono stati gradualmente affiancati – e in alcuni casi superati – da soluzioni basate su materiali semiconduttori più avanzati. Il carburo di silicio (SiC) ha guadagnato popolarità grazie alla sua maggiore efficienza termica e alla capacità di operare a tensioni e temperature più elevate, con tempi di commutazione più rapidi. Questa caratteristica lo rende ideale per applicazioni in Formula E e nelle hypercar elettriche, dove ogni watt conta. 

Ancora più innovativo è il nitruro di gallio (GaN), che consente dispositivi più compatti, leggeri e veloci, capaci di lavorare a frequenze elevate e con migliori performance in ambienti ad alta densità di potenza, come i powertrain elettrici da competizione. Il comportamento quantistico degli elettroni in questi materiali – in particolare la larghezza della banda proibita e la mobilità elettronica – è ciò che rende possibile tutto questo. 

Oscillatori, sincronizzazione e sensori 

La gestione dei tempi e la sincronizzazione tra i vari sottosistemi elettronici all’interno di una vettura da corsa è un compito di estrema precisione, garantito anche qui da un effetto quantistico: la piezoelettricità nei cristalli di quarzo. 

La piezoelettricità è un fenomeno fisico-quantistico per cui alcuni materiali cristallini, come il quarzo, generano una differenza di potenziale elettrico quando vengono compressi meccanicamente — e viceversa, si deformano se sottoposti a una tensione elettrica. Questa proprietà è legata alla disposizione asimmetrica degli atomi nel reticolo cristallino, che consente una risposta diretta e misurabile agli stimoli esterni. 

I microcontrollori presenti in ECU, sistemi di telemetria, cambi elettronici e protocolli di comunicazione (come la CAN) utilizzano oscillatori al quarzo per generare un segnale di clock (impulso elettronico che funge da metronomo per sincronizzare le operazioni dei circuiti digitali) stabile e regolare. Il quarzo, infatti, è un cristallo che, se sottoposto a una tensione, vibra a una frequenza estremamente precisa grazie alla sua struttura reticolare. Questa vibrazione – un fenomeno legato alle interazioni quantistiche del reticolo – diventa la base per sincronizzare in tempo reale tutti i sistemi elettronici, un elemento cruciale quando si parla di cambi marcia elettronici o gestione dell’energia ibrida. 

Anche nella rilevazione delle forze meccaniche, la quantistica gioca un ruolo chiave. In Formula 1 e nelle categorie endurance si impiegano celle di carico piezoelettriche, spesso basate su cristalli come il quarzo, per monitorare carichi su sospensioni, pneumatici e strutture portanti. Questi sensori generano una tensione elettrica in risposta a compressioni e deformazioni, grazie a effetti quantistici interni alla struttura del materiale cristallino. La precisione e affidabilità di queste misure è fondamentale per la calibrazione aerodinamica e lo studio del comportamento dinamico del veicolo in condizioni estreme. 

Sistemi di accumulo energetico e quantistica dei materiali 

L’elettrificazione crescente del motorsport – visibile nella Formula E, nei prototipi endurance e anche in F1 – ha portato alla ribalta un altro ambito dove la quantistica è protagonista: lo sviluppo di nuovi materiali per l’accumulo energetico. 

Oggi le batterie, i supercondensatori e gli elettroliti vengono progettati simulando il comportamento della materia a livello atomico. L’uso di strumenti computazionali come la Density Functional Theory (DFT) e il Quantum Transport Modeling consente agli ingegneri di modellare le proprietà elettroniche e ioniche dei materiali, ottimizzandone efficienza, resistenza termica e velocità di ricarica. 

I supercondensatori rappresentano una delle soluzioni più promettenti per fornire energia istantanea, ad esempio durante un sorpasso o nella fase di recupero in frenata (MGU-K). A differenza delle batterie, non accumulano energia tramite reazioni chimiche, ma tramite la separazione elettrostatica di carica sulla superficie degli elettrodi. I materiali impiegati – spesso grafene o carboni attivati – hanno una struttura elettronica fortemente influenzata da fenomeni quantistici come l’adsorbimento ionico e il confinamento degli ioni in nanocanali, dove si verificano effetti di quantum confinement. 

Un altro sistema in fase di sviluppo è quello basato sulle batterie Lithium–Sulfur (Li–S), che promettono una densità energetica fino a cinque volte superiore rispetto alle tradizionali celle Li-ion. Tuttavia, le reazioni redox dello zolfo generano polisolfuri instabili, che compromettono la longevità della cella. La fisica quantistica viene impiegata per simulare le interazioni molecolari tra litio e zolfo, progettare nuovi materiali di catodo in grado di immobilizzare i polisolfuri, e comprendere il comportamento elettronico dei legami. 

Tra le innovazioni più rivoluzionarie vi sono gli elettroliti a stato solido, che eliminano completamente i liquidi infiammabili presenti nelle celle convenzionali. Questo non solo migliora la densità energetica, ma aumenta la sicurezza in caso di crash. A livello quantistico, la ricerca si concentra sull’ottimizzazione della conduzione ionica solido-solido, sulla riduzione della resistenza interfaccia e sulla modellazione di effetti di tunneling quantistico che permettono il passaggio degli ioni attraverso barriere energetiche. 

Infine, gli anodi interamente in silicio rappresentano una frontiera estrema per ottenere batterie leggere e compatte, adatte a vetture da corsa full electric. Il silicio può immagazzinare una quantità di ioni litio molto maggiore rispetto alla grafite, ma tende a espandersi durante la carica, con rischi di rottura meccanica. Anche qui la fisica quantistica entra in gioco nella simulazione della struttura elettronica del silicio drogato, nello studio del trasporto degli elettroni e nella progettazione di soluzioni che migliorino la flessibilità e la conduttività sotto stress. 

Quantum Computing 

A completare questo quadro, vale la pena citare anche il quantum computing, una frontiera emergente che potrebbe rivoluzionare lo sviluppo stesso di molte delle tecnologie impiegate nel motorsport. Se oggi i transistor basati su semiconduttori funzionano grazie a effetti quantistici controllati, i computer quantistici spingono oltre questi principi, sfruttando direttamente qubit, sovrapposizione di stati ed entanglement per risolvere problemi di calcolo troppo complessi per i computer tradizionali. 

L’obiettivo di questi strumenti è accelerare drasticamente la progettazione e la simulazione in tutti gli ambiti dell’industria automotive, dalla progettazione di nuovi materiali compositi e non, alla modellazione matematica della componentistica, fino all’ottimizzazione generale di flussi di lavoro aerodinamici e CFD. 

Non si tratta ancora di una tecnologia direttamente integrata in macchina, ma è già una risorsa strategica in centri R&D indipendenti e OEM, che la impiegano per anticipare soluzioni che potrebbero diventare lo standard nei prossimi cicli tecnologici del motorsport.

 

In conclusione, la fisica quantistica non è solo un concetto astratto da laboratorio: è il fondamento tecnologico che consente alle competizioni di oggi di spingersi oltre i limiti. Dai transistor nei microprocessori alle celle avanzate per l’accumulo energetico, ogni innovazione in pista nasce da principi quantistici e da simulazioni atomiche sempre più sofisticate. Il motorsport odierno, in quanto più elettrificato, non può prescindere dalla quantistica. Ed è proprio nell’invisibile, nell’ordine di grandezza dei nanometri e nell’entanglement degli elettroni, che si gioca la prossima rivoluzione industriale.