Desarrollan un motor de 1 MW que podría ayudar a electrificar la aviación

La enorme huella de carbono de la aviación podría reducirse, entre otras cosas, con la electrificación. Sin embargo, hasta la fecha sólo han despegado pequeños aviones totalmente eléctricos, con motores que generan cientos de kilovatios de potencia. Para electrificar aviones más grandes y pesados, como por ejemplo los comerciales, se necesitan motores más potentes, de megavatios, que se propulsarían mediante sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos, en los que una máquina eléctrica se acopla a un motor de turbina de gas.

Así, con el objetivo de satisfacer esta necesidad, un equipo de ingenieros aeroespaciales del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), está creando un motor de un megavatio (MW) que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. Estos ingenieros han diseñado y probado los principales componentes del motor, y han demostrado que pueden funcionar como un todo para generar 1 MW de potencia, con un peso y un tamaño competitivos con los pequeños pequeños motores aeronáuticos actuales.

Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor pueda combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una pila de combustible. El motor podría convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico para propulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor turbofán tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases del vuelo.

"Independientemente de lo que utilicemos como portador de energía —baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible—, los motores de megavatios serán un elemento clave para hacer más ecológica la aviación", afirma Zoltan Spakovszky, catedrático y director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT, que dirige el proyecto.

Buenos resultados

Tal y como están diseñados, el motor eléctrico y la electrónica de potencia del MIT tienen el tamaño aproximado de una maleta facturada. "Creo que es el primer diseño integrado realmente cooptimizado", afirma Spakovszky. "Lo que significa que hicimos una exploración muy amplia del espacio de diseño en la que se evaluaron de forma integrada todas las consideraciones, desde la gestión térmica hasta la dinámica del rotor, pasando por la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, para averiguar cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida a un megavatio", añade.

Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales por separado, y ha demostrado que pueden funcionar según lo diseñado y en condiciones que superan las exigencias operativas normales. Los investigadores tienen previsto montar el primer motor eléctrico totalmente operativo y empezar a probarlo en otoño.

Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su conjunto, dicen que el diseño podría propulsar aviones regionales y también podría ser un compañero de los motores a reacción convencionales, para permitir sistemas de propulsión híbridos-eléctricos. El equipo también prevé que varios motores de un megavatio podrían alimentar varios ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de avión. De cara al futuro, las bases del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían ampliarse a motores de varios megavatios para propulsar aviones de pasajeros más grandes.

Material pesado

Las emisiones mundiales de dióxido de carbono deben alcanzar el nivel cero neto en 2050. Según Spakovszky, para cumplir este objetivo en el sector de la aviación se necesitarán "logros decisivos" en el diseño de aeronaves no convencionales, sistemas de combustibles inteligentes y flexibles, materiales avanzados y una propulsión electrificada segura y eficiente.

Múltiples empresas del sector aeroespacial están centradas en la propulsión electrificada y el diseño de máquinas eléctricas a escala de megavatios que sean lo bastante potentes y ligeras para propulsar aviones de pasajeros. "Se trata de ingeniería dura, en términos de optimizar componentes individuales y hacerlos compatibles entre sí al tiempo que se maximiza el rendimiento global. Para ello tenemos que superar los límites de los materiales, la fabricación, la gestión térmica, las estructuras y la rotordinámica, y la electrónica de potencia" afirma Spakovszky.

En términos generales, un motor eléctrico utiliza la fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos, como los que impulsan el ventilador de un ordenador portátil, utilizan energía eléctrica —procedente de una batería o fuente de alimentación— para generar un campo magnético, normalmente a través de bobinas de cobre. En respuesta, un imán, colocado cerca de las bobinas, gira en la dirección del campo generado y puede accionar un ventilador o una hélice.

Cabe señalar que cuanto mayor es el aparato o vehículo, mayores son las bobinas de cobre y el rotor magnético, lo que hace que la máquina sea más pesada. Cuanta más potencia genera la máquina eléctrica, más calor produce, lo que requiere elementos adicionales para mantener fríos los componentes, lo cual ocupa espacio y añade un peso significativo al sistema, lo que lo convierte en un reto para las aplicaciones en aviones.