A pesar de que los modelos de aviones comerciales más modernos han reducido notablemente los consumos de combustible y, por tanto, las emisiones de gases, existe una rama de la ingeniería aeronaútica que busca electrificar el que se ha consolidado el medio de transporte más seguro del mundo. Detrás se encuentran compañías como Airbus —con participación de España— y también de la NASA como uno de los organismos científicos y tecnológicos más avanzados del mundo.
Esta última se encuentra inmersa en el programa N3-X, que pretende superar a todas las iniciativas actuales de aviación eléctrica, que se centran en aviones muy pequeños —incluso menos de de 10 pasajeros— u otros más grandes con unas autonomías limitadísimas que no superan los 200 kilómetros. La industria necesita una plataforma con mucha más capacidad de viajeros y que permita recorrer grandes distancias como los aviones actuales a combustión.
Más allá de los diseños aerodinámicos de los fuselajes y superficies de sustentación, el quid de la cuestión se encuentra en la cadena motriz. Desde la generación y el almacenamiento de la energía hasta su transformación en un motor para generar movimiento.
Concepto por ordenador del avión N3-X
"El NASA N3-X es un concepto de avión revolucionario que se esfuerza por hacer que los futuros viajes aéreos comerciales sean más eficientes, convenientes y sostenibles", según lo describe la propia agencia espacial, a través de su Centro de Investigación Glenn. Los científicos encargados del proyecto tienen como objetivo desarrollar la próxima generación de aeronaves electrificadas que reduzcan significativamente el consumo de combustibles, reduzcan los niveles de emisiones y minimicen los niveles de ruido.
Eléctrico de la NASA
Recientemente, los investigadores han descrito los tres posibles diseños de sistemas de energía renovable que pueden aplicar a la aeronave para hacerla totalmente eléctrica. Hasta la publicación del informe científico, el concepto del N3-X tan solo se había planteado utilizando un par de generadores a combustión que, a su vez, alimentaban motores eléctricos para impulsar a los pasajeros.
Concepto de avión eléctrico N3-X
Un sistema híbrido que el equipo liderado por la profesora Mona Ghassemi, quien está a cargo de la investigación, quiere superar apostando por la electricidad como única fuente energética de la aeronave. Todas sus investigaciones las han publicado en IEEE, donde han abordado cada una de las alternativas y vías a las que han llegado.
La mayor preocupación —convertido en quebradero de cabeza— de Ghassemi y sus colegas es el despegue del avión. Es la maniobra más exigente en cuanto a energía se refiere y cuya generación eléctrica debería alcanzar los 25 megavatios de potencia para que fuera efectivo. Estos son cálculos obtenidos para un avión de entre 297 y 330 pasajeros, como es el N3-X.
Esquema híbrido inicial del N3-X
"En otras palabras, necesitamos de 25 a 30 veces más energía para hacer que los aviones se vuelvan completamente eléctricos, y casi toda esta energía requerida es para el despegue", apunta Ghassemi. Para satisfacer esas demandas energéticas tan elevadas se han propuesto reemplazar los motores de combustión por cuatro unidades de energía electroquímica (EEU, de sus siglas en inglés).
Estas EEU utilizan todo el arsenal de almacenamiento energético renovable disponible actualmente: baterías, celdas de combustible y supercondensadores. Teóricamente, con baterías lo suficientemente potentes, debería disponer de suficiente energía para que el N3-X despegue tan solo empleando electricidad.
Avión eléctrico N3-X
En el estudio analizan un total de 3 diseños tanto bajo condiciones de vuelo normal como en escenarios donde un componente del sistema de energía falla. Los resultados muestran que dos de los diseños podrían ser factibles en la vida real, incluso si una EEU —de las 4 que han planteado— fallara durante el vuelo.
"Con los futuros avances proyectados en las baterías [de litio-aire y litio-azufre], las energías específicas requeridas para el avión totalmente eléctrico de fuselaje ancho previsto pueden lograrse en los próximos 25 años", señala. "Sin embargo, otra solución prometedora puede lograrse antes, como los reactores compactos de fusión".
Avión híbrido
En el ámbito de las compañías privadas, la estadounidense Raytheon Technologies acaba de completar con éxito la primera prueba del demostrador de su motor de propulsión híbrida —combustión y eléctrica— para aviones regionales. "Esto marca un hito clave hacia las pruebas de vuelo, que comenzarán en 2024".
Según recoge la propia Raytheon en una nota, las pruebas de encendido se llevaron a cabo en unas instalaciones de la compañía en Québec (Canadá). El sistema integra unn motor eléctrico de 1 MW desarrollado por Collins Aerospace con un motor de combustión de Pratt & Whitney —empresa que pertenece a Raytheon— altamente eficiente y especialmente adaptado para la operaciónn híbrida.
Concepto por ordenador de avión híbrido
Esta tecnología de motor, indican, permitirá un rendimiento más eficiente del motor durante las diferentes fases del vuelo, como el despegue, el ascenso y el crucero. Al tiempo, reduce el consumo de combustible y las emisiones de dióxido de carbono en un 30% en comparación con un motor enteramente de combustión.
"Con nuestro programa de ensayos en tierra ya en marcha, las pruebas de vuelo planificadas nos permitirán acelerar la demostración de esta tecnología de propulsión sostenible de próxima generación", a indicado Jean Thomassin, director ejecutivo de nuevos productos y servicios de Pratt & Whitney Canadá.