Con el rápido crecimiento general de los viajes aéreos, el diseño de aeronaves está maduro para la descarbonización, pero el vuelo eléctrico generalizado requiere mejores baterías y sistemas livianos.

A medida que la industria de la aviación emerge del impacto de la pandemia de COVID-19, cuando el número de pasajeros se desplomó, el número de vuelos vuelve a aumentar. La industria se está recuperando a los niveles previos a la pandemia de viajes aéreos de pasajeros, con algunas estimaciones pronosticando un crecimiento de más del 40 % para 2050.

En general, aparte de las crisis, los viajes aéreos de pasajeros tienden a duplicarse cada 15 años, y el sector de la aviación también demuestra ser una de las fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de más rápido crecimiento. Actualmente representa el 2% de las emisiones globales de GEI, pero se prevé que esto se triplique potencialmente para 2050 desde los niveles de 2015 en su trayectoria actual.

Dado que el Acuerdo Verde Europeo exige la neutralidad climática para 2050, se requiere un reinicio verde para mejorar la sostenibilidad de la aviación. Siga el enlace para obtener más información sobre las medidas que recomienda la UE para reducir las emisiones de la aviación.

La aviación se está volviendo más eficiente con las mejoras en los motores, pero la descarbonización exige alternativas a los aviones actuales que consumen mucho combustible fósil.

Los sistemas de propulsión híbrido-eléctricos y totalmente eléctricos ofrecen una respuesta. Dichos sistemas de propulsión ya están ganando terreno, y las ventas mundiales de automóviles eléctricos se duplicaron el año pasado a 6,6 millones.

Hay numerosos proyectos en marcha para que la aviación haga lo mismo, pero se enfrentan a muchos desafíos, entre los que destaca el peso de las baterías.

Sin embargo, encontrar alternativas respetuosas con el medio ambiente que sean al mismo tiempo de alto rendimiento y rentables es de "importancia primordial", dijo Fabio Russo, jefe de investigación y desarrollo del fabricante de aviones Tecnam en Capua, Italia.

Escalabilidad

Russo dirigió el proyecto H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), que investigó el potencial de los sistemas híbridos eléctricos en los llamados aviones de "aviación general" (GA).

Esta categoría, que cubre más de 400 000 aeronaves civiles en todo el mundo, incluye aviones privados, jets ejecutivos, helicópteros y más, pero no aviones comerciales.

Como aviones que tienden a ser relativamente pequeños, la iniciativa H3PS los ve como un primer paso hacia el desarrollo de sistemas de propulsión eléctrica para vuelos más amplios.

"Necesitamos soluciones ambientales hoy, y el proyecto H3PS se realizó para demostrar una solución eficiente, de bajo peso y escalable", dijo Russo.

"Escalable significa que puede mover este concepto de un avión de cuatro plazas a uno de 11 plazas o, eventualmente, a más plazas".

Tren motriz híbrido

El proyecto también involucró a Rolls-Royce y al fabricante de motores Rotax. Uno de sus objetivos era volar un avión de cuatro plazas propulsado por lo que se conoce como un "tren motriz híbrido paralelo", que combina un motor de combustión interna tradicional y un motor eléctrico.

El sistema de propulsión híbrido puede dar un "impulso" de potencia a la aeronave durante las fases de vuelo, como el despegue y el ascenso, dice Russo. Con un híbrido, puede, por ejemplo, usar un motor de combustible con una potencia más baja de lo normal y llenar el vacío para que el avión despegue y ascienda con un motor eléctrico.

"Por lo tanto, puede tener acceso a un motor de combustible de menor consumo", dijo Russo.

Este enfoque permite reducir el tamaño y el peso del motor, lo que permite incluir la batería del motor eléctrico sin añadir un peso significativo al sistema.

A fines del año pasado, el proyecto logró surcar los cielos con su avión Tecnam P2010 H3PS. Como el primer cuatro plazas en hacer esto utilizando un sistema híbrido paralelo, H3PS destacó el logro como "un hito importante en el viaje de la industria de la aviación hacia la descarbonización y la I + D en sistemas de propulsión alternativos".

Economía de la batería

Sin embargo, Russo enfatizó que el proyecto se trataba de demostrar la viabilidad de dicho avión en lugar de crear un producto para el mercado. Hay un camino por recorrer para hacerlos realidad a gran escala, dijo.

"Todavía hay muchos límites en términos económicos detrás del desarrollo de este tipo de motor y avión", dijo Russo.

Un factor limitante clave es cómo se deterioran las baterías a medida que se recargan. Esto significa que hay un alto costo para seguir reemplazándolos en escalas de tiempo que, en la actualidad, las estimaciones de Russo pueden ser de tan solo unos pocos meses.

Él cree que las mejoras se basan en un impulso real, respaldado por el apoyo de la industria de fabricación de baterías, para impulsar la tecnología de baterías, mientras se reducen los costos de envío y desmantelamiento, y se mejora la economía circular.

"Una economía local para la fabricación de baterías es esencial", dijo Russo. "Esto también significará que CO₂ no se guarda solo durante la operación, sino mucho antes y después del uso de la batería en un avión".

Agregó que para los componentes de aeronaves en su conjunto, se requiere un enfoque en el ciclo de vida completo de extremo a extremo y el impacto de los productos.

Híbridos viables

Russo cree que estos aviones híbridos podrían volverse más viables económicamente alrededor de 2030, con el potencial de ahorrar significativamente en emisiones en ciertas fases de vuelo.

Una prueba que realizó su equipo indicó una reducción potencial del 50 % en las emisiones de carbono durante el despegue y el ascenso inicial, y del 20 % durante todo el viaje de tres horas, sugerida por la menor cantidad de combustible utilizado.

“Al final del vuelo, cuando medimos el combustible que consumimos, la diferencia fue notable”, dijo Russo.

Otros proyectos están investigando cómo optimizar diferentes componentes para futuros sistemas de aviación de propulsión eléctrica para hacerlos lo más ligeros posible, así como seguros y eficientes.

Interferencias electromagnéticas

Por ejemplo, el proyecto EASIER ha estado diseñando sistemas para limitar la interferencia electromagnética (EMI) entre componentes que pueden afectar el funcionamiento de una aeronave.

The team is also investigating thermal methods to better dissipate heat generated by electrical components. That is all while trying to ensure the aircraft remain lightweight, taking the size and weight of current batteries into account.

Dr. Ignacio Castro, a senior principal engineer at Collins Aerospace, based in Cork, Ireland, is the coordinator for EASIER. He said the project has been looking into EMI filtering and wiring options with lower volume and weight for electrical powertrains in aircraft, plus "two-phase" cooling systems and methods to improve rates of heat transfer to an aircraft's exterior.

He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.

"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."

Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.

Trade-offs

There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.

He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.

"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.

Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.

Right direction

Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."

Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.

That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."

There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Explora más

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