The Fab Four: i brevetti Wabtec che hanno scosso il mondo
Uno speciale della Settimana degli Ingegneri del 2026
Wabtec è un'azienda incentrata sull'ingegneria. Impiega oltre 4.700 ingegneri in tutto il mondo e detiene oltre 6.500 brevetti globali attivi (con le recenti acquisizioni di Dellner Couplers, la divisione Inspection Technologies di Evident e il Frauscher Sensor Technology Group che dovrebbero aggiungerne altri circa 1.000) diretti a innovazioni che rendono il trasporto ferroviario di merci e transito più sicuri, affidabili, efficienti e produttivi.
Per celebrare il 75° anniversario della Engineers Week e il 250° anniversario degli Stati Uniti, Wabtec rende omaggio a tutti gli ingegneri mentre riflette su quattro dei suoi più grandi brevetti che hanno cambiato definitivamente il settore ferroviario e il mondo.
Una nota sui brevetti
Ma prima, considera cosa serve perché una nuova tecnologia sia brevettabile. John Kramer, Senior Patent Counsel di Wabtec, offre questi principi guida: «Affinché un'invenzione sia legalmente meritevole di brevetto, deve soddisfare due criteri principali: 'novità' e 'non ovvietà'».
Per superare il test di novità, un'invenzione deve essere almeno progressivamente diversa da ciò che qualcuno ha sviluppato in passato. Quindi, deve dimostrare che c'è un divario sufficiente tra esso e lo standard precedente che il cambiamento non sarebbe stato ovvio per qualcuno con «una normale abilità nel campo». Oppure, come la definirebbe la comunità giuridica europea, l'innovazione deve aver comportato un «atto inventivo».
Pensiamo che concorderai con le seguenti quattro invenzioni di Wabtec più che superare il test.
1. La locomotiva diesel-elettrica: brevetto statunitense n. 1.589.182
Tranne, forse, Thomas Edison.
Edison aveva intuito le possibilità offerte dall'elettricità che il vapore poteva solo sognare già nel 1860 e iniziò il suo lavoro pionieristico sui treni completamente elettrici più tardi a Menlo Park, NJ, nel 1880. Eppure è stato solo con l'emergere del motore a combustione interna di Nicolaus Otto (ICE; inventato nel 1876) come applicazione industriale tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, che ha trasformato l'industria automobilistica, aeronautica e navale, che l'idea di combinare un ICE e un sistema di propulsione elettrica in una locomotiva ha preso piede.
Il tempismo non avrebbe potuto essere più fortuito. Le locomotive a vapore avevano i loro problemi. Facevano affidamento sul carbone, che li rendeva fondamentalmente sporchi. Avevano bisogno di manodopera per spalare il carbone dal tender al focolare della locomotiva. E l'unico modo per rendere più veloci i treni a vapore era costruire locomotive sempre più grandi, a loro volta limitate dall'infrastruttura ferroviaria, poiché l'intero sistema, non solo la caldaia, era costretto a crescere.
Edison intravide un'opportunità di cambiamento radicale e, nel 1925, General Electric e i suoi partner si avventarono. Era nato il motore diesel-elettrico.
«Edison è sempre stata intenzionata a offrire alle ferrovie un'alternativa più pulita ed economica al vapore», afferma Steve Gerbracht, direttore della divisione Locomotive Architecture and Concept Development di Wabtec. «Con il decollare degli usi industriali dei motori a combustione interna, alla GE si è letteralmente accesa la lampadina che ha permesso alla locomotiva, indipendente dalle linee catenarie e dai terzi binari, di ospitare una propria centrale elettrica.
«Quindi, attraverso l'uso di un alternatore, l'energia meccanica generata dall'ICE, in questo caso un motore diesel, potrebbe essere convertita in energia elettrica che potrebbe azionare i motori di trazione sulle ruote della locomotiva. Questo connubio tra il motore a combustione interna e l'arsenale di componenti elettrici e apparecchiature di propulsione di Edison ha letteralmente cambiato la storia delle locomotive e rimane lo standard su cui noi di Wabtec e l'industria in generale continuiamo a innovare».
Eric Gebhardt, Vicepresidente esecutivo e Chief Technology Officer di Wabtec, aggiunge: «La svolta di Edison con il motore diesel-elettrico è l'epitome del 'pensiero sistemico'. Lui e il suo team non si sono limitati a migliorare il motore, ma lo hanno reinventato, includendo cosa poteva alimentare e come. Questo approccio più olistico e orientato al sistema alla risoluzione dei problemi è alla base dei brevetti di riferimento di Wabtec e nel DNA della nostra cultura ingegneristica».
2. The Air Brake: brevetto statunitense n. 124.405
Prima del freno pneumatico, lo stato dell'arte per fermare un treno prevedeva che i «frenatori» percorressero la lunghezza del treno e azionassero individualmente i freni di ogni vagone mentre il treno era in movimento. Si trattava di un lavoro estremamente pericoloso e limitava la capacità di aumentare la lunghezza di un treno.
Il fondatore di Wabtec, George Westinghouse, era l'uomo giusto per questo lavoro.
Ispirato da un articolo in cui si parlava dell'uso di un trapano pneumatico per lo scavo di un tunnel in Francia, un processo che richiedeva il pompaggio di aria compressa attraverso circa 3.000 piedi di tubazioni, Westinghouse escogitò un piano per utilizzare l'aria per azionare i freni di un treno.
Il suo brevetto originale per il freno pneumatico, n. 88929, rilasciato il 13 aprile 1869, prevedeva un compressore d'aria alimentato a vapore sulla locomotiva che pompava aria pressurizzata attraverso una rete di tubi che portavano ai cilindri dei freni su ogni vettura. Il sistema, attivato dall'ingegnere del treno, azionava efficacemente i freni su tutta la lunghezza del treno.
Solo tre anni dopo, Westinghouse migliorò ulteriormente il suo design, aggiungendo una «tripla valvola» e un «serbatoio ausiliario» per creare il primo sistema di sicurezza su larga scala. In effetti, l'ingegnere poteva ancora controllare la frenata come al solito, ma con una differenza fondamentale: ora il sistema utilizzava la pressione dell'aria per tenere i freni spenti. Inoltre, se un giunto si rompeva o un tubo si rompeva, la perdita di pressione faceva scattare l'istantanea frenata su tutte le carrozze, fermando il treno.
«La lungimiranza di questo sistema è assolutamente sorprendente», osserva Gebhardt. «Esaminando questi brevetti di oltre 150 anni fa, ci si rende conto che la frenata ad aria compressa con freni pneumatici è ancora molto simile a come l'aveva inizialmente pianificata George Westinghouse. E creando questo modello su come fermare un treno, ha anche svolto un ruolo fondamentale nel consentire ai treni di crescere più a lungo e quindi più produttivi».
3. Il pantografo a braccio singolo: brevetto statunitense n. 2.935.576
I pantografi a doppio braccio a forma di diamante dell'inizio e della metà del XX secolo corrispondevano alla rigidità e alle tensioni dei cavi aerei di quell'epoca. Tuttavia, la loro voluminosità e la loro massa non erano favorevoli alle tensioni e alle velocità più elevate che richiedevano.
Faiveley colse l'occasione per sviluppare un nuovo e migliore tipo di pantografo, rompendo completamente gli schemi con l'invenzione del pantografo a braccio singolo (noto anche come semipantografo o pantografo a Z). Una meraviglia dell'ingegneria, l'elegante design di Faiveley era più leggero, più aerodinamico e utilizzava ingegnosamente il «sollevamento» naturale dell'aria che lo attraversava per mantenere la testina in costante contatto con il filo. Il nuovo pantografo ha stabilito il record mondiale di velocità (331 kmh/206 mph) per un treno a propulsione elettrica lo stesso anno in cui è stato introdotto, il 1955, ed è ancora oggi lo standard del settore.
E grazie alla continua innovazione del pantografo a braccio singolo, sono seguite altre prestazioni da record. I nuovi modelli di pantografo Wabtec, tutti in debito con Faiveley, hanno consentito ai treni di raggiungere velocità massime di 515 km/h (320 mph) e 574 km/h (356 mph) rispettivamente nel 1990 e nel 2007. Oltre a stabilire nuovi record di velocità, i pantografi Wabtec hanno raggiunto molti primati nel corso del XX e XXI secolo, abbracciando innovazioni nella progettazione dei materiali, nelle dimensioni dell'impronta, nell'integrazione sul tetto, nella portata del braccio e nelle modalità di alimentazione, contribuendo a una proliferazione di pantografi che supera i 150 tipi e più di 90.000 installati in tutto il mondo.
«Il lavoro visionario di Faiveley ha dato il via a una nuova era della ferrovia ad alta velocità che ha trasformato il settore dei trasporti e con esso la vita di milioni di viaggiatori», ammira Matt Atkins, Power Collection Engineering Director presso Wabtec. «Nel mondo dei pantografi e dei treni ad alta velocità, c'è un chiaro 'prima e dopo' contrassegnato dall'anno 1955".
4. LOCOTROL ® Distributed Power: brevetto statunitense n. 3.380.399
Passiamo rapidamente al 1965. L'industria ferroviaria era affamata di energia distribuita, un fenomeno compreso intuitivamente da qualsiasi bambino che ha messo insieme una macchina dopo l'altra su un modellino di treno. A un certo punto, quando il treno diventa troppo lungo, vuole dividersi.
La soluzione? Aggiungere altre locomotive.
Ma dove metterli?
Anche se impilarle davanti sarebbe stato più semplice, una simile configurazione di locomotive pesanti avrebbe messo troppo a dura prova l'infrastruttura ferroviaria esistente, compresi i ponti (vedi diagramma) e gli agganci e i timoni dei treni. Risolvendo questo primo «caso d'uso», è nato LOCOTROL®.
LOCOTROL ® rappresenta l'innovazione nel sistema di controllo e comunicazione che consente a una locomotiva trainante e senza equipaggio composta, ovunque sia posizionata, di seguire gli ordini della locomotiva principale. Quindi, se l'operatore sta posizionando la locomotiva nella tacca quattro del controllo di trazione, tale comando viene trasmesso alla o alle locomotive poste al centro o alla parte posteriore del treno.
«Le prime versioni di LOCOTROL ® sono analoghe agli albori dei supercomputer», osserva Danny Rush, Vice President, Engineering di Wabtec. «È stato necessario un intero vagone merci pieno di apparecchiature informatiche e RFID per eseguire i comandi di 'controllo remoto' dalla parte anteriore del treno a quella posteriore. Negli anni '90, lo abbiamo ridotto a circa le dimensioni di uno scaffale di apparecchiature e poi, con i continui progressi nei microprocessori, l'ingombro della soluzione si è ridotto a una scatola lunga circa un piede».
Poiché la potenza di calcolo e le reti di comunicazione hanno continuato a evolversi, anche LOCOTROL ® ha ambizioni ambiziose, con gli operatori ferroviari di tutto il mondo che stanno superando i limiti della comunicazione dei comandi non solo tra locomotive, il che ha consentito treni sempre più lunghi, ma anche tra locomotive e torri e persino da postazioni completamente remote.
«Il brevetto originale per LOCOTROL ® ha creato la struttura di controllo e comunicazione necessaria per consentire la distribuzione sicura della potenza su un treno, che è stata emessa in un'epoca di treni sempre più lunghi, e i guadagni di produttività ad essi associati», spiega Bob Palanti, Senior Architect, Train Handling presso Wabtec. «Ma questo brevetto spartiacque ha anche posto le basi per una rivoluzione nell'automazione, che dura ormai da 70 anni, che sta stimolando nuovi modelli operativi e favorendo nuove efficienze. Wabtec e i suoi clienti non hanno ancora finito con LOCOTROL®, nemmeno lontanamente».
Conclusione
Un segno del successo di un brevetto è la quantità di innovazione successiva che genera e ispira. Questi quattro brevetti (FAB), con radici che risalgono alla metà del 1800, non solo hanno trasformato il settore ferroviario nel tempo, ma sono diventati le fondamenta su cui gli ingegneri Wabtec continuano a innovare ancora oggi.
«La cosa che accomuna tutti questi brevetti non è solo la loro incredibile lungimiranza, ma anche la loro audacia. Voglio dire 150, 100 e 50 anni dopo, siamo ancora molto legati al pensiero originale alla base di questi brevetti», conclude Gebhardt. «Edison, Westinghouse, Faiveley e altri hanno stabilito un modello da seguire per tutti gli ingegneri brillanti e ambiziosi: Swing for the fences. Le tue idee possono cambiare il mondo. »