Los motores eléctricos en el aire aparecerán igual que en el suelo: primero se usarán las baterías para ayudar al motor a quemar combustible
El 31 de mayo de 2018, un avión eléctrico Magnus eFusion con un motor Siemens se estrelló en Hungría . Su piloto, Janusz B., mencionado en el artículo, y el pasajero murieron. Siemens está trabajando con las autoridades locales para investigar las causas del accidente.Estoy sentado en la cabina de uno de los aviones más increíbles del mundo. Este es un avión eFusion liviano de dos plazas, fabricado por
Magnus Aircraft , equipado con un motor de Siemens, una gran empresa, famosa por su contribución a la aviación. Quito los pies de los pedales de control justo antes de que el piloto encienda su automóvil.
La hélice comienza a girar instantáneamente y se vuelve casi invisible. Pero al mismo tiempo hay tal silencio que podemos comunicarnos fácilmente sin auriculares. Esta es la primera señal de que el avión funciona con electricidad.
Comenzamos a rodar por una pequeña pista de aterrizaje en el campo de hierba de Budapest. 10 a.m., cielo soleado, granjas visibles en la distancia. De repente saltamos al cielo y comenzamos a subir abruptamente, las granjas se están reduciendo con ternura. Las vacas de abajo ni siquiera miran hacia arriba. Esta aceleración rápida, el equivalente de aviación del modo de funcionamiento ridículo del modelo S de Tesla, es otra señal de un motor eléctrico. Obtiene todas las capacidades del motor, e inmediatamente.
Luego nos zambullimos, nos desviamos hacia un lado y volvemos a levantarnos, dejando atrás mi estómago. No está mal para un avión simple capaz de realizar pocas acrobacias aéreas, como lo describió Gergely György Balázs, jefe de la Oficina de Investigación de Budapest Siemens, como disculpándose antes de subir al avión. Afortunadamente para mí, el piloto del modelo, capaz de todas las acrobacias aéreas, estaba fuera por negocios.
Después de 15 minutos estimulantes, las baterías estaban medio cargadas, a menos de 10 kWh, y era hora de aterrizar. Esta es la última señal de un motor eléctrico. Aunque las baterías de iones de litio, cuyos bastidores están ocultos en una carcasa frente a la cabina, hoy almacenan mucha más energía que hace unos años, no se acercan al tanque de gasolina. Por lo tanto, en los próximos años, las capacidades de todos
los aviones eléctricos se verán limitadas por saltos cortos, principalmente entre asentamientos vecinos y no entre ciudades.
La aviación es responsable del 2-3% de las emisiones
mundiales de gases de efecto invernadero. Pero su eficiencia por unidad de volumen se considera muy alta, ya que se emiten muchos gases en la estratosfera. Se espera que la participación de la aviación en las emisiones crezca rápidamente en las próximas dos décadas, con un aumento en el número de vuelos y una disminución en las emisiones de otras fuentes, en particular, de la generación de electricidad y automóviles.
En 2016, 23 países firmaron un acuerdo para limitar las emisiones de carbono de los aviones, que debería comenzar en 2020, de acuerdo con los estándares desarrollados por la Organización de Aviación Civil Internacional, OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), una agencia de la ONU. Por lo tanto, los investigadores de todo el mundo están trabajando en formas de satisfacer estas limitaciones.
Pero, ¿cómo pueden ayudar los aviones eléctricos, limitados a una distancia ridículamente pequeña? Se consideran un paso crítico en la evolución tecnológica de la aviación, que repetirá la migración, comenzando justo ahora, de la industria automotriz de motores de combustión interna a motores eléctricos. En 15 años, los aviones de pasajeros híbridos que combinan electricidad y combustible pueden comenzar a funcionar en vuelos de corto y mediano alcance. Los híbridos quemarán combustible, pero hágalo con moderación.
Concepto de cielo azul Capaz de acrobacias aéreas, la versión Extra 330LE, un avión ligero modificado por Siemens para funcionar con electricidad. En las primeras pruebas de finales de 2016, estableció un récord para la altura de los vuelos eléctricos, subiendo 3.000 metros en 4 minutos y 22 segundos."Podemos hacer una gran diferencia en la escala de los pequeños aviones de entrenamiento que funcionan con electricidad, porque la física no funciona contra nosotros allí", dijo George Bai, director de
Bye Aerospace , que suministra
aviones de entrenamiento eléctrico con Siemens. “Pero para aumentar las velocidades y masas requeridas para los revestimientos, es necesario cambiar a una instalación híbrida. La industria está trabajando activamente en esto ”.
Hasta ahora, se necesitan híbridos porque, aunque el combustible de aviación proporciona 12.500 W * h de energía por kilogramo, las baterías de iones de litio solo proporcionan 160 W * h / kg, dado el peso de las baterías y de todos los demás equipos que garantizan su seguridad.
Criar híbridos en el aire requerirá muchos avances tecnológicos. Naturalmente, aparecerán como resultado de programas de investigación y desarrollo. Pero también surgirán gracias a intentos, como los realizados por Siemens, de poner en funcionamiento aviones de entrenamiento eléctrico y, lo más probable, lo más importante, a los intentos de crear una industria de taxi aéreo urbano en algo así como aviones no tripulados cubiertos de maleza. Siemens está trabajando con
Airbus Helicopters en uno de esos proyectos totalmente eléctricos, CityAirbus. Paralelamente, Airbus está trabajando en un proyecto de
Vahana que está desarrollando su filial de Silicon Valley. Hay muchas otras empresas nuevas, incluido el chino
Ehang , las primeras demostraciones de vuelos de pasajeros que tuvieron lugar este año, cuando un ingeniero llevó el octocopter de la compañía al cielo.
En la aviación, la mayoría de los híbridos se basan en una arquitectura consistente en la que un motor de combustión de combustible, ya sea un motor de combustión interna o una turbina, alimenta un generador que alimenta motores eléctricos, hélices giratorias y baterías de carga. En este diseño, las baterías proporcionan las explosiones de energía a corto plazo necesarias para el despegue, lo que permite a los técnicos ajustar los motores de combustible para que funcionen a las velocidades ideales. Los enormes motores a reacción que cuelgan de las alas de su avión operan a plena potencia solo durante el despegue; todo el resto del tiempo, en términos generales, están inactivos y solo aumentan el peso de la aeronave.
Hay otros beneficios. Al distribuir la potencia a través del cable, con un diseño híbrido, puede colocar los tornillos exactamente donde lo necesita, sin equiparlo todo, basándose solo en la ubicación de los enormes motores. Algunos circuitos híbridos intentan colocar las hélices detrás de la aeronave o incluso en un estabilizador vertical.
Dos consorcios principales trabajan en híbridos. En Europa, Airbus
colaboró con Siemens y
Rolls-Royce en una alianza separada del proyecto CityAirbus. En los Estados Unidos, Boeing y JetBlue son parte de un proyecto competitivo dirigido por la startup
Zunum Aero , con sede en Kirkland, Washington. Ambos consorcios esperan criar híbridos en el aire a principios de la década de 2020.
Airbus planea comenzar con una versión modificada del avión existente, British Aerospace 146 para 100 asientos, en el que una de las cuatro góndolas en las alas no tendrá un motor, sino un motor eléctrico de dos megavatios. Recibirá energía de un generador girado por una pequeña turbina de gas ubicada en el fuselaje (debido a que no experimenta resistencia al aire). Si el sistema eléctrico falla, la aeronave podrá volar con tres hélices impulsadas por motores convencionales. Airbus
está preparando un híbrido para la demostración en el próximo
Salón Aeronáutico Internacional de París .
El Consorcio de Estados Unidos no dijo casi nada sobre sus planes. En agosto de 2017,
GE Aviation emitió una descripción del concepto y el tremendo trabajo que, según ella, está en marcha para crear generadores híbridos. En uno de los experimentos en tierra, GE Aviation usó un motor de 1 MW para rotar una hélice de 3,3 m de diámetro, en otro, utilizó un compresor del motor GE F110 para alimentar un generador de 1 MW, mientras que el motor continuó proporcionando tracción.
Inserte las baterías aquí: este Magnus eFusion condujo al piloto Janusz B. y al autor del artículo en maniobras sobre un campo cerca de Budapest.Aunque hay muy poca información sobre el trabajo de ambos consorcios, de las entrevistas se desprende claramente que se centran en mejoras en cuatro categorías tecnológicas: capacidad de la batería, peso del motor y generador, eficiencia de la electrónica de potencia, materiales y diseño del marco. En el Consorcio Europeo, Siemens se dedica al motor, generador y electrónica. Además, la compañía modificó varios aviones pequeños, creando modelos totalmente eléctricos, creyendo que es posible optimizar realmente todas las partes solo al usarlas todas juntas en el avión.
"Estamos ganando experiencia usando todo el sistema de propulsión eléctrica, todo entre el piloto y la hélice", dice Frank Anton, jefe de Siemens eAircraft. "La única forma de aprender esto es enviar tecnología en vuelo".
Los motores eléctricos pueden ser relativamente pequeños y ligeros, lo que abre muchas posibilidades. Puede instalar un montón de tornillos pequeños en las alas y rotarlos para facilitar el despegue. La NASA incluso está estudiando un esquema con un montón de pequeños tornillos ubicados a lo largo de todo el ala, que dirigen adecuadamente el flujo de aire sobre la superficie y aumentan la
relación de elevación a arrastre . Como resultado, las alas pueden hacerse más cortas y más delgadas.
"Separe la generación del motor", dice Anton, "y de repente tiene un montón de diferentes opciones de vectorización de empuje".
La tarea clave de reducir el peso de una planta de energía eléctrica depende de dos cosas. En primer lugar - es necesario para aumentar la densidad de energía de las baterías, que crecerá poco a poco, al menos hasta que las baterías de iones de litio actuales no dan paso a tecnologías completamente nuevas, tales como
baterías de aire de hierro . En segundo lugar, la densidad de energía del sistema desde el motor y el generador también debería aumentar. Este es un negocio de Siemens.
En la nariz del avión de Siemens, capaz de realizar acrobacias aéreas, se encuentra
su motor de avión SP260D , que, con un peso de 50 kg y una potencia de 260 kW, tiene una sorprendente relación de 5.2 kW / kg. Otro avión, que no es capaz de todas las acrobacias aéreas, tiene la misma proporción, aunque su tamaño es una vez y media mayor. Extra voló por primera vez frente al público en 2016 en Alemania. En 2017, estableció un récord de vuelos eléctricos, rompiendo el listón a una velocidad de 340 km / h. Los ingenieros de Siemens están trabajando activamente para aumentar aún más la densidad de energía del motor.
En un centro de investigación en Budapest, Balasz me lleva a un banco de trabajo en un laboratorio y me entrega una parte del motor a medio cortar. Esto es parte del estator, la parte estacionaria alrededor de la cual gira el rotor, y en su sección se ven secciones perpendiculares del devanado de cobre, que se combinan entre sí como ladrillos. Esta sencillez es un método clave para lograr altos niveles de energía. No deja un espacio de aire que pueda interferir con la eliminación del calor de los cables a la caja refrigerada por líquido. Este calor debe eliminarse del aislamiento de los cables, o se derretirá y
se producirá un cortocircuito .
"Necesitamos una transferencia de calor más homogénea que un cable redondo puede proporcionar, y también esperamos un mejor aislamiento eléctrico, todo esto es importante para el motor de la aeronave", dice Balash. Siemens ordena específicamente este cable a
Furukawa Electric Co. , Proveedor japonés.
Aquí, los ingenieros realizan investigaciones diarias, cortando el exceso de peso de gramos por gramo. Este enfoque que consume mucho tiempo hace que estas gemas hechas a mano sean más caras que cualquier Rolex. Cuando levanto la pieza de repuesto para estimar su peso, Balash se estremece significativamente. Lo puse cuidadosamente de nuevo.
Él dice que en unos pocos años, miles de estos motores se fabricarán anualmente para su uso en taxis aéreos, lo que, como predicen Siemens y todos sus competidores en la región, inundará nuestras ciudades al estilo de las langostas. Fue entonces cuando el costo de producir motores caería, tal vez incluso más bajo que el costo de los motores de combustión interna comparables de hoy, que consisten en cientos de piezas y llevan a cabo innumerables interacciones mecánicas complejas.
Pero el trabajo de eliminar el exceso de peso de gramo por gramo finalmente da paso a mejoras revolucionarias. Una de ellas ocurrió a principios de la década de 1980, cuando General Motors y Sumitomo Special Metals introdujeron de forma independiente imanes de neodimio de alta resistencia en los motores. La próxima revolución estará asociada con electroimanes, cuyo devanado consistirá en cables superconductores.
Con tal devanado, el motor-generador prácticamente no perderá energía en forma de calor parásito, pero este sueño se realizará solo después de la aparición de superconductores de alta temperatura. Los materiales cerámicos ahora alcanzan una superconductividad a
temperaturas de -135 ° C , que es 100 ° C más caliente que el metal original. Entonces, en lugar de enfriar los cables con helio líquido, no mucho más alto que el cero absoluto, los diseñadores pueden confiar en el nitrógeno líquido.
Siemens ha estado trabajando en este concepto durante casi dos décadas. Inicialmente, la compañía planeó colocar motores superconductores en barcos, donde el espacio y el peso son especialmente importantes. Y aún así, la versión actual de su motor (utilizada como generador) es un gabinete, la altura es mayor que la altura de una persona. Por lo tanto, los ingenieros de la compañía se dedican a su miniaturización para su uso en la aviación. La densidad de potencia objetivo es de 10 vatios por gramo. Siemens no me mostró estos desarrollos, solo una imagen de una máquina más grande con enfriamiento y un diagrama de una futura versión de aviación.
Otras compañías también están apuntando a esto. GE Aviation está trabajando en motores refrigerados criogénicos para la NASA, pero no ha revelado detalles. Todas estas compañías están en silencio; Es posible que no quieran revelar las cartas, o simplemente no tienen nada que mostrar por ahora. En cualquier caso, la
NASA estima que los aviones de pasajeros con sistemas criogénicos con una capacidad de 30 MW o menos no aparecerán hasta al menos mediados de 2030.
Para aprovechar al máximo las ventajas de un motor superconductor, y un generador, en un sistema híbrido, es necesario crear inversores superconductores. La NASA está trabajando con GE para producir uno capaz de operar a 19 kW / kg con una eficiencia del 99%.
La integración del motor en el circuito híbrido, probablemente utilizando una turbina de gas para hacer girar el generador, todavía está en proceso. Los ingenieros de Siemens primero simulan todo en una computadora, en una simulación interactiva, desde la cual me mostraron solo un par de cuadros en la pantalla. Esto fue parte de la simulación de una máquina enfriada convencionalmente. "Es un híbrido secuencial, y la simulación nos muestra la distribución de energía", dice Balash.
Actualmente, las unidades de turbina de gas se utilizan principalmente como energía de respaldo para redes eléctricas, donde el peso de los componentes no importa. Sin embargo
muchos aviones militares modernos toman electricidad de turbinas que funcionan con compresores de motores a reacción o flujo de aire.
Puede parecer que se gasta demasiado esfuerzo en ahorrar unos pocos kilogramos, pero aquí cada pequeña cosa importa. Un kilogramo ahorrado en el peso del motor da preciosas libras adicionales para las baterías. Cuando United Airlines
recientemente comenzó a imprimir su revista de pasajeros en papel, con un peso inferior al habitual, ahorrando 28 gramos por habitación, o alrededor de 5 kg por vuelo, esto debería ahorrar a las compañías 640,000 litros de combustible al año, o $ 290,000.
Es por eso que los nuevos aviones, como el Boeing 787, usan tantos polímeros reforzados con fibra de carbono. Magnus eFusion hace lo mismo: para rodar un avión fuera del hangar, los esfuerzos de una persona son suficientes.
Avancemos rápidamente al producto final. Aparecerá dentro de diez años, y las aerolíneas utilizarán aviones híbridos tan silenciosos que pueden sobrevolar la ciudad por la noche. Gracias a los tornillos giratorios, podrán despegar de bandas más cortas, posiblemente ubicadas en el año. Ahorrarán energía debido a la eficiencia y al bajo peso. Esto significa que su mantenimiento y propiedad serán más baratos: los aviones de hoy tienen la situación opuesta, ya que el costo de su mantenimiento es muchas veces mayor que el precio de compra.
Una trampa: en los próximos diez años, los híbridos simples serán solo un poco más ecológicos que los aviones convencionales. Se producirá una mejora tangible como resultado de las economías de escala, cuando los híbridos permitan a la industria cambiar a aviones totalmente eléctricos, posiblemente ya en la década de 2030. "La hibridación nos permitirá ahorrar entre 4% y 20% de energía", dice Otto Olaf, jefe de ventas y desarrollo comercial de la oficina de Siemens Munich. "Si electrificamos completamente el avión, los ahorros serán aún mayores".
Asimismo, las compañías aéreas están interesadas en reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. "La iniciativa
Flight Path 2050 de la UE está tratando de reducir las emisiones más de 2 veces", dice Anton de Siemens, "pero para entonces el tráfico de pasajeros debería haberse duplicado, por lo que necesitamos al menos una mejora cuatro veces mayor".
No está claro cómo se obtienen exactamente estos números. La forma más fácil de comparar emisiones es con millas de pasajeros. Será más honesto tener en cuenta la fuente de electricidad esperada que puede generarse en el suelo y almacenarse en baterías para su posterior uso en el aire. En los cálculos, también es necesario tener en cuenta la cantidad de energía que se utiliza para producir baterías, motores, piezas de carbono ultraligero de la aeronave y todo lo demás.
La misma iniciativa de la Unión Europea tiene como objetivo reducir a la mitad el ruido de los aviones para 2050.
Resulta que ahora esta es la mayor motivación para la industria aeronáutica. Para satisfacer las restricciones en los vuelos nocturnos, las compañías aéreas a veces gastan dinero en amortiguar aviones viejos y de alto perfil."La gran sorpresa fue cuando Siemens comenzó a hablar con las compañías aéreas", dice Anton. - Siempre creí que el funcionamiento silencioso de los motores es una prioridad en tercer lugar, después de la energía y las emisiones. Y ahora esta es la primera prioridad ".Esta no será la primera tecnología implementada con éxito por razones no relacionadas con el calentamiento global. La gente compra un Prius híbrido para ahorrar combustible; compran un Tesla para adelantar a un Porsche. Las compañías aéreas comprarán aviones híbridos debido a su funcionamiento silencioso, y una reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero demostrará ser casi un efecto secundario. Pero aún lo será.