A medida que el transporte aéreo se ve sometido a presiones para reducir su impacto medioambiental y nos impulsa a reconsiderar nuestras opciones de transporte, Los científicos están buscando formas más ecológicas de impulsar el vuelo.

A pesar de que la tecnología de los automóviles eléctricos avanza y los consumidores, de manera lenta pero segura, están adoptando la idea de la conducción eléctrica, las perspectivas de un vuelo eléctrico todavía parecen estar muy lejos de mitigar nuestro flygskam, el término sueco para "vergüenza de vuelo".

Pero el vuelo eléctrico se convertirá en una realidad, es solo una cuestión de cuándo.

"El consenso anterior es que faltan 20 o 30 años para un vuelo de largo alcance totalmente eléctrico de un avión del tamaño de un Airbus A350 o Boeing 787, "dice el profesor Weijia Yuan de la Universidad de Strathclyde.

"Pero debido a la urgente necesidad de reducir las emisiones de carbono, necesitamos algunas tecnologías dramáticas para permitir soluciones no convencionales para acelerar este proceso. La investigación que estamos haciendo ahora allanará el camino ".

El profesor Yuan dirige un equipo de 15 personas en el Departamento de Ingeniería Electrónica y Eléctrica que investiga la superconductividad aplicada en el almacenamiento de energía. cables de transmisión de energía y propulsión eléctrica para aeronaves.

"La superconductividad es una tecnología crítica para permitir un vuelo sin emisiones, "dice el profesor Yuan.

El principal desafío para el vuelo eléctrico es cómo hacer que las baterías y los motores eléctricos sean lo suficientemente pequeños pero lo suficientemente potentes como para permitir que un avión lleno de pasajeros y su equipaje abandonen el suelo y viajen cualquier distancia antes de quedarse sin combustible.

"Actualmente no es factible utilizar motores eléctricos convencionales para alimentar un gran avión de pasajeros, porque son demasiado voluminosos y carecen de suficiente densidad de potencia, pero los superconductores podrían tener la clave.

"Para impulsar un avión del tamaño de un Airbus 320 o un Boeing 737, los motores eléctricos necesitarían una energía por unidad de masa de al menos 40 kilovatios por kilogramo (kW / kg). En la actualidad, los motores más convencionales del mercado podrían manejar alrededor de 5kW / kg. "

Para obtener más potencia de los motores eléctricos, necesita aumentar la cantidad de electricidad que un motor puede transportar.

Actualidad

Los superconductores, como su nombre indica, son materiales que son extremadamente buenos para permitir que las corrientes eléctricas los atraviesen con poca o ninguna resistencia.

La mayoría de la gente sabe que algunos materiales conducen la electricidad mejor que otros; un alambre de cobre versus un guante de goma, por ejemplo.

Cuanto más resiste un material al flujo de corriente eléctrica, cuanta más energía eléctrica se pierde en forma de calor, luz o ruido. Este es el caso de los motores eléctricos existentes. Cuanto más resistencia, menos eficiente es el sistema.

Una forma de reducir la resistencia de un material es enfriarlo. Cuanto más frío se pone un material, cuanto más conductivo se vuelve hasta que alcanza una temperatura crítica donde toda la resistencia eléctrica desaparece repentinamente y se vuelve superconductora, aumentando la cantidad de energía disponible.

Cobre sobreenfriado, por ejemplo, enfriado a menos 200 grados centígrados, puede llevar 1, 000 veces la corriente del cobre a temperatura ambiente.

Un sobreenfriado, La bobina superconductora teóricamente podría mantener una carga eléctrica indefinidamente.

Hechos duros y fríos

Sin embargo, la necesidad de mantener los superconductores extremadamente fríos para erradicar su resistencia eléctrica presenta un desafío.

Si bien algunos grupos de investigación de todo el mundo están investigando la llamada superconductividad de alta temperatura, cualquier cosa por encima de menos 200 grados centígrados, o cuatro grados Kelvin:el trabajo del profesor Yuan se centra en los conductores de baja temperatura.

En el presente, La forma más común de sobreenfriamiento de un conductor utiliza nitrógeno líquido, el gas más abundante en la atmósfera.

También se puede utilizar helio líquido, pero es un elemento mucho más raro, mientras que el hidrógeno líquido, un elemento extremadamente explosivo, requiere un manejo cuidadoso.

El último, sin embargo, se puede utilizar para pilas de combustible de hidrógeno y podría ser la fuente de energía elegida por la industria de la aviación.

El profesor Yuan dice:"Podría ser que los aviones propulsados ​​eléctricamente transporten hidrógeno para usarlo como combustible y como refrigerante. Pero con el hidrógeno hay un gran desafío de seguridad que abordar.

"Nuestro trabajo se centra en tratar de mejorar la eficiencia de los motores eléctricos minimizando el enfriamiento requerido a través de configuraciones novedosas de la bobina del motor, hecho con metales de tierras raras como itrio, bario, óxidos de cobre, y luego utilizar herramientas de análisis avanzadas para guiar el proceso de diseño ".

Gran parte de la investigación se está llevando a cabo en el Laboratorio de Superconductividad Aplicada de última generación, recientemente inaugurado, dentro del Centro de Tecnología e Innovación (TIC).

El equipo está trabajando con socios de la industria, incluido Airbus, Rolls-Royce y Epoch Wires con fondos del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), Innovate Reino Unido, el British Council, y la Real Academia de Ingeniería, quien también financió dos becas de investigación de ingeniería para los líderes académicos del nuevo laboratorio, el profesor Weijia Yuan y el Dr. Min Zhang. El profesor Yuan fue investigador de la Real Academia de Ingeniería entre 2013 y 2018.

Agrega:"Uno de los aspectos únicos que tenemos en Strathclyde es un sólido departamento de ingeniería eléctrica y electrónica combinado con la capacidad de fabricación en el Centro de investigación de conformado avanzado e instalaciones como el Centro de demostración de redes eléctricas. Es una combinación única".

Propulsión híbrida

Aunque el vuelo totalmente eléctrico del tipo que llevará a cientos de turistas a climas más cálidos podría estar todavía en un par de décadas, El profesor Yuan es optimista por la tecnología.

"Todavía hay formas de mejorar los motores a reacción sin ser completamente eléctricos, por ejemplo a través de la propulsión híbrida donde se utiliza la combustión como fuente de energía pero motores eléctricos para la propulsión. Eso le daría un ahorro de eficiencia en la región del 10-20%, " él dice.

"El vuelo es solo una de las muchas aplicaciones que podrían beneficiarse de la superconductividad:la otra incluye los sistemas de energía que usamos en nuestros hogares e industria, cables para la transmisión de energía desde parques eólicos marinos que podrían facilitar una súper red europea donde la electricidad pueda enviarse a grandes distancias con poca pérdida de energía ".

El profesor Yuan y el Dr. Min Zhang están involucrados en un nuevo proyecto de cuatro años financiado con 10,4 millones de euros de Horizonte 2020 llamado IMOTHEP:Investigación y Maduración de Tecnologías para la Propulsión Eléctrica Híbrida.

El proyecto, liderado por ONERA, el laboratorio aeroespacial francés y que comprende 33 socios clave de la industria de la aviación y la investigación, investigará tecnologías eléctricas para aviones eléctricos híbridos junto con el diseño de configuraciones de aviones avanzados y arquitecturas de propulsión innovadoras.

El profesor Yuan y el Dr. Zhang se centrarán en la electrónica de potencia criogénica y la distribución de potencia superconductora.

El objetivo final del proyecto es evaluar el potencial de la propulsión eléctrica híbrida para reducir las emisiones de la aviación comercial y, finalmente, construir una hoja de ruta tecnológica para su desarrollo.

Habiéndose unido a Strathclyde en 2018 desde la Universidad de Bath, donde obtuvo su primer puesto luego de completar su doctorado. en Cambridge, El profesor Yuan es optimista y está dispuesto a llevar su investigación al siguiente nivel.

Él dice:"Espero poder ver que nuestra investigación se aplica en los próximos cinco a 10 años y establecer con éxito una empresa derivada para comercializarla".

"Cuando considera los materiales con los que estamos trabajando, principalmente óxidos de cobre de tierras raras, solo se descubrieron en 1986, Tomará algo más de tiempo antes de que podamos aplicarlos a las funciones diarias, "dice el profesor Yuan.

"Pero Strathclyde es líder en el Reino Unido en este campo, tanto en términos del volumen de investigación como del tamaño del equipo ".