La electrificación de la aviación reduciría significativamente la enorme huella de carbono que provoca este sector. Sin embargo, hasta la fecha, solo han despegado pequeños aviones totalmente eléctricos que solo cubrirían mercados de nicho. La potencia de sus motores eléctricos se mide en cientos de kilovatios. Sin embargo, para electrificar aviones más grandes y pesados, como los comerciales, se requieren motores con potencias a la escala del megavatio. Estos serían propulsados por sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos donde una máquina eléctrica se acopla a un motor aeronáutico de turbina de gas.
Para evitar el impacto del cambio climático inducido por el hombre, los científicos han determinado que las emisiones globales de dióxido de carbono deben llegar a cero neto en 2050. Los ingenieros del MIT (Massachusetts Institute of Technology) están desarrollando un motor eléctrico compacto, ligero y potente, capaz de desarrollar una potencia de un MW que permite la electrificación de los aviones comerciales.
Cumplir este objetivo para la aviación, asegura Zoltan Spakovszky, director del proyecto, requerirá "cambios radicales" en el diseño de aviones no convencionales, sistemas de combustible inteligentes y flexibles, materiales avanzados y propulsión electrificada segura y eficiente. Varias empresas aeroespaciales se centran en la propulsión electrificada y el diseño de máquinas eléctricas a escala de megavatios lo suficientemente potentes y ligeras para propulsar aviones de pasajeros.
El equipo ha demostrado mediante cálculos detallados que los componentes ya diseñados y probados con éxito de forma individual (estator, rotor, intercambiador de calor y tarjetas electrónicas de potencia) pueden funcionar acoplados como un todo para generar un megavatio de potencia con un peso y un tamaño competitivos con los motores aeronáuticos actuales.
Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de almacenamiento, como una batería o una celda de combustible. El motor convertiría esa energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turboventilador tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases de un vuelo.
“No importa lo que usemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible). Idependientemente de todo eso, los motores de megavatios serán un factor clave para la ‘ecologización’ de la aviación'”. Spakovszky y su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo en una sesión especial del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica -Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS)-, en la conferencia de Aviación en junio.
Diseñando el motor del MIT
Las máquinas eléctricas existen desde hace más de 150 años. Cuanto más grande es el aparato o vehículo que propulsan, más grandes son las bobinas de cobre y el rotor magnético, lo que hace que la máquina sea más pesada. Cuanta más energía genera la máquina eléctrica, más calor produce, lo que requiere elementos adicionales para mantener los componentes fríos. Todo esto ocupa espacio y agregar un peso significativo al sistema, lo que lo convierte en un desafío la aviación, donde todo el peso debe despegar del suelo. “Las cosas pesadas no van en los aviones”, asegura Spakovszky. “Así que tuvimos que idear una arquitectura compacta, liviana y poderosa”.
En términos generales, un motor eléctrico utiliza fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos usan energía eléctrica (de una batería o fuente de alimentación) para generar un campo magnético a través de bobinas de cobre. En respuesta, un imán colocado cerca de las bobinas gira en la dirección del campo generado y puede impulsar una hélice.
En su diseño actual, el motor eléctrico y los componentes electrónicos de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta y pesan menos que un pasajero adulto. Los componentes principales del motor son:
- Un rotor de alta velocidad revestido con una matriz de imanes con orientación variable de polaridad.
- Un estator compacto de baja pérdida que encaja dentro del rotor y contiene una intrincada serie de bobinados de cobre.
- Un intercambiador de calor avanzado que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina.
- Un sistema de electrónica de potencia distribuida, hecho de 30 circuitos a medida, que cambian con precisión las corrientes que corren a través de cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.
“Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente optimizado”, explica Spakovszky. “Hicimos una exploración espacial de diseño muy extensa teniendo en cuenta todas las consideraciones. La gestión térmica hasta la dinámica del rotor, la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica se evaluaron de manera integrada para descubrir cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida.”
Como un sistema completo, el motor está diseñado de tal manera que las placas de circuitos distribuidos están estrechamente acopladas con la máquina eléctrica para minimizar la pérdida de transmisión y permitir un enfriamiento efectivo del aire a través del intercambiador de calor integrado. “Esta es una máquina de alta velocidad y, para mantenerla girando mientras crea un par, los campos magnéticos tienen que viajar muy rápido, lo que podemos hacer a través de nuestras placas de circuito cambiando a alta frecuencia”, defiende Spakovszky.
Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales individualmente y ha demostrado que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que superan las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico completamente funcional y comenzar a probarlo en el otoño.
Una vez que el equipo del MIT pruebe el motor eléctrico completo, este mismo diseño podría propulsar aviones regionales y los motores de reacción convencionales, para permitir sistemas de propulsión híbridos eléctricos. El equipo prevé que múltiples motores de un megavatio podrían alimentar múltiples hélices distribuidas a lo largo del ala en futuras configuraciones de aeronaves.
De esta manera, los cimientos del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían, potencialmente, escalarse a motores de varios megavatios e impulsar aviones de pasajeros más grandes.
