El avión eléctrico NASA X-57 entre las nuevas soluciones tecnológicas
08 feb 2023
La expansión del automóvil eléctrico, el desarrollo de turbinas eólicas flotantes de nueva generación, la multiplicación de satélites para monitorear los fenómenos climáticos, son parte de la concreción de nuevas soluciones tecnológicas para enfrentar la crisis climática que soporta el Planeta.
En Más Azul (Ver nos.36 y 37 “Hay soluciones a los desafíos climáticos (I y II)” hemos reseñado las 10 innovaciones y tecnologías que veremos expandirse en los próximos cinco años y que serán relevantes en el intento de reducir la huella de carbono y combatir el cambio climático: 1. Aerogeneradores flotantes; 2. Expansión de los coches eléctricos; 3. Multiplicación de satélites de monitereo; 4. Reforestación; 5. Nueva generación de plantas nucleares; 6. Bombas de calor; 7. Combustibles ecológicos para aviones. 8. Nuevas baterías para almacenar energías limpias; 9. CO2 como combustible y 10. CO2 para la producción de materiales de construcción y químicos.
En el caso de los aerogeneradores flotantes, la innovación pasa por la posibilidad de su instalación en aguas más profundas (proyectos en los que están embarcados desde Shell en Corea del Sur, una empresa española en Australia y el gobierno británico en su país) y en el nuevo desarrollo de aerogeneradores de viento gigantes como el que prepara la empresa china Ming Yang Smart Energy, con torres de 242 metros de altura en el mar –el más grande del mundo– reduciendo el coste de la energía a más de la mitad.
Las novedades en el sector de los coches eléctricos no dejan de sorprender. Dos de los mayores fabricantes de automóviles Toyota y Volkswagen están respondiendo a una demanda creciente con una variedad de nuevos modelos e incluso la firma japonesa trabaja en una revolucionaria alternativa al coche eléctrico en base al hidrógeno que podría cambiar el mundo. Paralelamente la expansión de la movilidad eléctrica ha alcanzado su tope en China, país que lidera por lejos tanto la producción como el consumo de vehículos eléctricos con millones de unidades anuales.
Una de las áreas de mayor expansión es la de los satélites. Diversas agencias en todo el mundo –en especial la NASA– así como grupos ecologistas están lanzando numerosos satélites para hacer un mejor monitoreo de los fenómenos meteorológicos extremos así como para localizar las fugas de metano y las incursiones de la deforestación.
El saqueo de los bosques es también un campo donde se están produciendo novedades e investigaciones relevantes. Hay una conciencia creciente que la reforestación constituye una de las grandes soluciones para contribuir al enfriamiento global, recuperar áreas verdes, frenar la degradación del medioambiente y restaurar los ecosistemas.
Otro de los campos de avances tecnológicos en busca de lograr una energía más eficiente y limpia es el de la nueva generación de plantas nucleares. Son múltiples los proyectos en desarrollo, en particular, de mini centrales nucleares, como las que prepara Rolls Royce o nuevas plantas (EDF Energy), aprovechando la cuestionable decisión de la Comisión Europea considerando a la energía nuclear como ‘limpia’ y por tanto ‘apta para el financiamiento’ (dic. 2021). Mientras tanto avanza el desarrollo de la primera planta de energía de fusión nuclear del mundo, en lo que constituye un avance colosal de China en el campo científico y tecnológico: generar energía mediante fusión nuclear. Lo anunció en septiembre pasado, Peng Xianjue, (CAEP), el científico de la Academia China de Ingeniería Física. El gobierno chino aprobó la construcción de la planta de energía pulsada “más grande del mundo”, un reactor combinado de fusión y fisión con el objetivo de generar energía con fusión nuclear.
Por otra parte, la puesta en marcha del primer reactor nuclear sin uranio del mundo, en base a torio, y que generará 373 megavatios para 2030, puede cambiar la energía nuclear para siempre ya que no requiere las enormes provisiones de agua de los reactores de uranio.
Otra singular alternativa tecnológica proviene de las bombas de calor, un interesante desarrollo de calefacción baja en emisiones de carbono. Las novedades son múltiples y están dirigidas a mejorar en los próximos meses la capacidad de encendido instantáneo como en las calderas de gas y sus costes de instalación. En todo el mundo, alrededor del 40% de las emisiones de carbono provienen de la calefacción alimentada por combustibles fósiles. Una nueva bomba de calor desarrollada por la Universidad de Glasgow permitiría reducir no solo la factura energética sino también esas emisiones de carbono.
Otra innovación en la que se trabaja es la de los combustibles ecológicos para aviones. El tráfico aéreo es una de las grandes fuentes de contaminación de GEI y que mientras en el transporte terrestre se están haciendo importantes avances en la sustitución de los combustibles fósiles o en el uso de combustibles más sostenibles (biocombustibles), la industria aeronáutica mantiene un retraso considerable: solo el 0,1% de todo el combustible quemado para vuelos a nivel mundial es sostenible y los objetivos de las aerolíneas son muy poco ambiciosos ya que pretenden utilizar un 5% de biocombustibles para 2025.
También se avanza en el campo del aprovechamiento del CO2 como combustible y para la producción de nuevos materiales.
Hacia una aviación libre de emisiones
En esa búsqueda tienen singular importancia los avances que se están realizando en la búsqueda de una aviación libre de emisiones. La aviación representa el 3% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero y los biocombustibles no son una solución integral en tanto se fabrican a partir de materias primas agrícolas que compiten por tierra y recursos alimentarios.
Cobra especial importancia, lo logrado por la NASA, cuyo avión experimental X-57, completamente eléctrico, surcará el aire por primera vez este año. Lo emprendido por la Agencia estadounidense es fundamental, en tanto la demanda de aviación está creciendo y el sector representa un porcentaje importante de las emisiones globales por su consumo intensivo de combustibles fósiles.
Como explica Hugh Hunt, profesor de Ingeniería Dinámica y Vibración de la Universidad de Cambridge, en un reciente artículo (The Conversation UK, 31.1.23) “encontrar una alternativa a los combustibles de aviación como el queroseno será clave si queremos seguir volando. El X-57 utiliza baterías de litio para hacer funcionar los motores eléctricos de sus hélices. Pero la energía que se obtiene de las baterías, en relación con su peso, es 50 veces menor que la que puedes obtener del combustible de aviación”.
La NASA va a concretar el primer vuelo del X-57 Maxwell ya que a comienzos de 2023, concluyó nuevos testeos con resultados positivos, entre ellos la prueba térmica, muy importante en estos sistemas complejos que tiene componentes sensibles a la temperatura y deben soportar condiciones extremas durante el vuelo.
El X-57 –en fase de configuración Mod II– es en realidad una versión modificada de un avión italiano, el Tecnam P2006T, que en lugar de motores de gasolina tiene dos motores eléctricos alimentados por baterías de tracción. El proyecto de la NASA se ha marcado objetivos ambiciosos: un menor consumo de energía (un quinto de un avión de gasolina), menores emisiones y menores niveles de ruido durante el vuelo.
El nuevo avance de la NASA es un avión totalmente eléctrico creado para demostrar la factibilidad de un avión eficiente, silencioso y respetuoso del medio ambiente, que permitiría en el futuro terminar con los contaminantes aviones de motores convencionales.
El X-57 cuenta con 12 pequeños motores eléctricos en las vainas debajo del ala que solo se ponen en funcionamiento en baja velocidad, proporcionando sustentación adicional durante el despegue y el aterrizaje y hasta que el avión alcanza mayor velocidad, momento en el cual esos motores pequeños se apagan, las hélices se repliegan para reducir la resistencia y dejan en funcionamiento solo los dos grandes motores en el extremo de las alas.
El nuevo enfoque de “propulsión distribuida” representa un apasionante campo de investigación y desarrollo en el que también trabajan otros diseños experimentales de aeronaves eléctricas. Se trata de una combinación de motores pequeños, muchas hélices y baterías repartidas por el avión.
El diseño es tan revolucionario que permite que la velocidad y el ángulo de inclinación de las hélices se puedan incluso cambiar durante el vuelo para adaptarse a las diferentes velocidades de la aeronave requeridas para el despegue, el aterrizaje y la velocidad de crucero que puede superar las 170 millas hora.
Es improbable que el X-57 abra la puerta a una tecnología aplicable a vuelos de larga distancia, pero puede significar un extraordinario avance para trayectos cortos que transporten unos diez pasajeros. Para ese mismo mercado, también la startup estadounidense Eviation Aircraft puso en el aire su primer vuelo del pequeño Alice, completamente eléctrico para un corto trayecto de 8 minutos en torno al Aeropuerto Internacional de Grant, en Washington.
Existe toda una tendencia a favorecer en los nuevos desarrollos de aeronaves el “empuje vectorial” por lo que los expertos pronostican que en el futuro los aviones podrían parecerse más a helicópteros y que los grandes aeropuertos tenderían a desaparecer.
Con perfume de mujer
El equipo de pruebas del X57 ha sido liderado por Natalie Spivey, un “as” en ensayos de dinámica estructural de aeronaves, aeronavegabilidad, etc. Actualmente, Spivey trabaja en la NASA Armstrong, en el sur de California. Es licenciada en ingeniería aeroespacial por la Universidad Estatal de Iowa y tiene un máster en ingeniería mecánica por la Universidad de California en Los Ángeles (2006).
Valorada como un referente en la NASA por su amplia experiencia práctica en ensayos modales y pruebas de aeronavegabilidad, ha participado en numerosos programas de investigación de vuelo como ingeniera de dinámica estructural o como jefa de programa, entre otros el programa de Ala Aeroelástica Activa del Boeing X-53, varios experimentos de vuelo del F-15 y del G-III, el programa de Ala Aeroelástica Pasiva Adaptada de la NASA y otros.
Baterías de litio
El X-57 utiliza baterías de iones de litio estándar porque el proyecto ha puesto el acento en la configuración de hélices y alas y postergó el desafío de una batería de menor peso, algo que será fundamental para expandir el impacto de los aviones eléctricos.
Como explica Hugh Hunt, profesor de Ingeniería Dinámica y Vibración de la Universidad de Cambridge, en un reciente artículo (The Conversation UK, 31.1.23) “lo que realmente estamos esperando es una revolución en la tecnología de baterías, una que proporcione una densidad de energía comparable a la del combustible de aviación”.
Desarrollar esa nueva batería será el próximo desafío de las investigaciones sobre aviones eléctricos. Las creadas en base a la tecnología cuántica, se cargan más rápido que las baterías normales pero no se considera probable que se encaminen a ser la solución. Y las de litio son demasiado pesadas y relativamente peligrosas por su potencial de ignición.
La NASA está avanzando en un nuevo tipo de batería de alto rendimiento apta para dar energía a aviones eléctricos. Se trata de baterías de estado sólido, que contienen más energía y son más livianas que las actuales baterías de iones de litio.
Esas baterías son menos propensas al sobrecalentamiento, al fuego y a la pérdida de carga con el tiempo. El problema a resolver era que no podían descargar energía al mismo ritmo que las baterías de iones de litio. La Unidad de Baterías de Estado Sólido (SABERS) de la NASA pareciera haber logrado aumentar la tasa de descarga de la batería hasta 10 veces más, mediante nuevos materiales innovadores que aún no se habían utilizado en baterías y que son capaces de descargar su energía a un ritmo bastante rápido.
Lo cierto es que los avances son extraordinarios y que varias empresas han hecho públicos arquetipos y modelos que revolucionarían a la industria de la aviación. Un avión eléctrico alimentado por baterías y recargado con electricidad procedente de fuentes renovables podría reducir las emisiones en un 90% en comparación con los aviones actuales.
A la espera de nuevos avances, se estima que en la presente década, veremos volar pequeños aviones eléctricos con capacidad para cubrir rutas cortas e intrarregionales. La compañía sueca Heart Aerospace, en 2024 empezará a probar su avión ES-19 de 19 plazas y lanzar sus vuelos comerciales en 2026, para cubrir viajes entre islas y fiordos escandinavos y posteriormente en rutas más ambiciosas. La empresa sostiene que ya están en condiciones de cubrir rutas regionales de unas 250 millas (400 kms) es decir París-Londres o Nueva York-Boston, lo que resulta esperanzador.
Los grandes jugadores empiezan a mover sus fichas. Al acuerdo Air Canadá- Heart, se suma que United Airlines ha acordado con la finlandesa Finnair la futura compra de aeronaves, con baterías a bordo de 3,5 toneladas y la autonomía de unos diez vehículos eléctricos, siempre que las produzcan en cantidad. Y Wright Electric se ha asociado con easyJet para reconvertir viejos aviones de hasta 100 plazas para ponerlos operativos en 2026, mientras avanzan en nuevos modelos como el Wright 1, con 186 plazas y un motor eléctrico de 1 MW.
Lo que es seguro es que en un futuro cercano las baterías eléctricas impulsarán nuestros vuelos de corta distancia, y probable que una revolución en la tecnología de las baterías, cambie el futuro de la aviación para siempre.
Es lo que sostiene con firmeza Hugh Hunt: “eventualmente, nos enfrentaremos a un ultimátum: o descubrimos cómo hacer aviones que no necesiten combustibles fósiles, o dejaremos de volar”.