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Aviones eléctricos: un futuro cada vez más próximo

Por Ángel Rojo, Docente investigador Observatorio Tecnológico Aeronáutico (https://www.esga.mil.ar/Observatorio/)


A pesar de que la aviación produce un 2,4%[i] de la emisión de dióxido de carbono (CO2) a nivel global, las organizaciones y empresas del sector han asumido el compromiso de preservar nuestro medio ambiente buscando el empleo de energías menos contaminantes.

En este sentido, se viene trabajando en el desarrollo de propulsión a través de motores que emplean energía eléctrica, siendo ésta una tecnología que no contamina, pero para alcanzar un nivel operativo debe superar otros desafíos tecnológicos que limitan en cierta forma su viabilidad; siendo las baterías avanzadas y los motores ligeros y fiables las tecnologías claves para este tipo de aeronaves.

En la actualidad existen muchos proyectos de eVTOL (o aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical) y eSTOL (o aeronave eléctrica de despegue y aterrizaje corto), pero debido al peso y cantidad de energía que pueden almacenar las baterías, se ve limitada la cantidad de carga paga (pasajeros o carga) y la autonomía de este tipo de aeronaves. Por ello, muchas empresas están apuntando estos desarrollos a una nueva clase de taxis aéreos, los cuales pueden realizarse con las actuales tecnologías en desarrollo y que van a trasformar el movimiento urbano e interurbano en las próximas décadas.

Otro de los problemas a resolver es el empleo de los motores eléctricos fiables y eficientes que pueden o no girar sobre su eje para cambiar del vuelo vertical de despegue o aterrizaje al vuelo horizontal de crucero, o que pueden emplear rotores grandes o pequeños. Cada una de estas opciones tiene sus ventajas y desventajas.


Hay varias propuestas al respecto al tamaño de los rotores:

· rotores grandes: hacen un uso más eficiente de la energía, pero por ser demasiado voluminosos generan más ruido; además, al aumentar la potencia necesaria hay que agrandar los motores y, por ende, el tamaño de la aeronave.

· rotores pequeños: son menos eficientes y demandan más energía que los grandes, pero generan menos ruido y permiten una mayor escalabilidad para transportar más carga o pasajeros sin necesidad de aumentar excesivamente de tamaño.


Además de los rotores, está el problema de la eficiencia y fiabilidad del motor eléctrico. En este sentido, magniX[ii] ha presentado oficialmente las unidades de propulsión eléctrica (EPU) magni350 y magni650. Estas EPU se han optimizado para aplicaciones de aviación comercial del mundo real a fin de acelerar aún más el camino hacia la certificación de aeronaves eléctricas y acercar el futuro de la aviación eléctrica a la realidad.


Las características de estas EPU son:

· magni350: 450 SHP / 350 kW / 1600 Nm.

· magni650: 850 SHP / 650 kW / 3200 Nm.

También existe otra tecnología innovadora en el desarrollo de motores, la cual imita a un engranaje planetario, propuesta por la empresa Magnomatics[iii] y que consiste en la combinación de un engranaje magnético y un motor de imanes permanentes. El engranaje se compone de rotores cilíndricos internos y externos hechos de una matriz de imanes con diferentes números de polos. Entre estos dos rotores se inserta un rotor polarizado (pole piece rotor - PPR), el componente novedoso de un engranaje magnético. Este elemento enruta el flujo de aire a los rotores interior y exterior, de manera que giran sincrónicamente, pero a diferentes velocidades. El engranaje magnético se comporta como un engranaje planetario, con los imanes externos como el engranaje anular, el PPR como el planeta y el conjunto de imanes internos como el engranaje solar.


Fuente: hibridosyelectricos[iv]


En forma general, muchos países están encarando en formas diferentes estos desafíos, pero abordando tres cuestiones a las cuales deben dar respuesta en forma simultanea: operativa, medioambiental y económica.

A continuación, veremos algunos de estos proyectos.


VoloConnect


Fuente: hibridosyelectricos[v]


La empresa alemana Volocopter ha presentado este avión eléctrico eVTOL que combina ala fija con propulsión eléctrica en el eje vertical y axial, diseñado para transportar cuatro pasajeros a una distancia de 100 km, con cada carga de sus baterías, y a una velocidad máxima de crucero de 250 km/h. Este diseño permitiría el transporte entre ciudades cercanas, complementando a los taxis eléctricos voladores que disponen de despegue y aterrizaje vertical construidos para ser empleados en centros urbanos.

La singularidad de este diseño, a diferencias de otros, es que utiliza un grupo propulsor para controlar la altitud y otro para lograr su velocidad de desplazamiento. Además, posee tren retráctil.


EmbraerX Eve


Fuente: embraer[vi]


En la imagen se puede observar el segundo modelo eVTOL de EmbraerX, con alas canard altas (dos juegos de alas, siendo el juego delantero más corto que el juego de alas traseras) y hay ocho hélices para vuelo vertical en juegos de dos por cada brazo, con cuatro brazos ubicados al final de las alas. Además, hay dos hélices traseras con conductos para vuelo hacia adelante y están ubicadas en el alerón trasero. Posee tren de aterrizaje deslizante tipo helicóptero.

Este modelo tiene la capacidad para ser operado por un piloto o en forma autónoma, puede transportar 4 pasajeros con sus equipajes a una velocidad de 240 km/h, a una distancia de aproximadamente 100 km y volando en el segmento entre 800 a 1.000 mts de altitud.

Este tipo de desarrollo está apuntando a lo que se ha denominado Movilidad Aérea Urbana (Urban Air Mobility - UAM) lo cual tendrá un impacto en el concepto del gerenciamiento del espacio aéreo, ya que estaría ocupando el segmento entre los UAS y las aeronaves convencionales.

Asimismo, podemos observar en el documento técnico EmbraerX Flight Plan 2030 que señala que el vuelo UAM tiene requisitos únicos tales como: volar hacia y desde muchas ubicaciones urbanas, altos volúmenes de tráfico, requieren una menor separación de espacio entre otros eVTOL, volar más cerca de los edificios, dependen de enlaces de datos en lugar de comunicaciones de voz, operan de forma segura junto a aviones, helicópteros y drones pequeños convencionales y vuelan de forma segura sobre áreas densamente pobladas, por lo cual involucrara un enfoque denominado Gestión del Tráfico Aéreo Urbano (UATM).

Este nuevo segmento empleará un sistema de estructuras y procedimientos del espacio aéreo diseñados estratégicamente para garantizar que los vuelos urbanos sigan siendo seguros y eficientes al tiempo que se minimiza el impacto en la ATM (Gestión del Tráfico Aéreo).


Kelekoma


Fuente: hibridosyeléctricos[vii]


Este diseño eVTOL es más ambicioso que los anteriores y tiene dos características fundamentales que lo diferencian:

· Apunta a un segmento de transporte de mayor cantidad de pasajeros: 40 pasajeros más el piloto.

· Carece de alas, ya que aprovecha el diseño de su fuselaje para generar la sustentación.

Además, emplea ocho rotores eléctricos giratorios, lo que le permite desplazarse hasta a 450 km/h gracias a su empuje vectorial y a la aerodinámica de su fuselaje, con un alcance de 540 km.

El fuselaje tiene la forma de un perfil alar de forma gruesa, plana y muy ancha, por lo cual, para generar la suspensión necesaria para levantar su peso (carga útil de 4.540 kg) deberá desarrollar una velocidad considerable.

Otro aditamento, al igual que otros proyectos, es emplear reemplazo de baterías en forma rápida y no tener cargas colocadas en la aeronave, con lo cual reduce su tiempo entre vuelos. Asimismo, el peso de las mismas representaría casi el 70% del total de la aeronave.


Lilium


Fuente: hibridosyelectricos[viii]


Pese a las tendencias de los otros proyectos que por razones físicas de rendimiento adoptaron rotores de mayor diámetro y abiertos, la empresa Lilium adopto un diseño de 36 pequeños rotores embebidos en conductos.

Si bien el diseño de avión eléctrico eVTOL con sus pequeños rotores con conductos utiliza el doble de energía en un vuelo estacionario que un modelo similar con rotores basculantes más grandes, después de los primeros 30 segundos de elevación y transición vertical, los pequeños bancos de ventiladores ofrecen una baja resistencia al vuelo horizontal, que es en el que pasarán la mayor parte de su tiempo.

Esta reflexión quiere decir que Lilium no basa su proyecto en la movilidad aérea urbana (taxis aéreos), sino que está más interesado en la movilidad aérea regional, es decir, viajes entre ciudades de hasta 200 kilómetros inicialmente, manteniendo velocidades de hasta 300 km/h, que tan solo requieren un minuto o menos de tiempo de vuelo vertical en los que están en desventaja energética.

El tratamiento acústico de los rotores pequeños los hace también más silenciosos. Una vez que se aplican revestimientos acústicos emiten hasta 10 dB menos que los aviones de rotor abierto, y son prácticamente inaudibles en el vuelo de crucero. La compacidad de su empaque, según dice la compañía, permitirá a Lilium escalar su carga útil sin tener que aumentar la huella de su avión, lo que significa que el diseño actual de siete asientos puede crecer fácilmente para llevar hasta 16 pasajeros.


Heaviside


Fuente: hibridosyelectricos[ix]


El Heaviside es un proyecto eVTOL dirigido a tareas de rescate, evacuación o envío de materiales impulsado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. El mismo opera en forma autónoma y lo más importe es lo silencioso de la operación, siendo su nivel de sonido solo de 35 dBA a 1.500 pies de altura, lo que le permite actuar en forma sigilosa en teatros hostiles.

Tiene un tamaño contenido, ya que está dirigido a que en el interior de su cabina pueda entrar una única persona. Equipado con 8 hélices de paso variable movidas íntegramente por electricidad, puede alcanzar velocidades de casi 300 km/h y, además, cuenta con una autonomía de 160 kilómetros con una sola carga de batería.


Cyclocar


Fuente: newatlas[x]


La Fundación de Investigación Avanzada de Rusia ya ha volado un prototipo de 60 kg de su avión Cyclocar eVTOL, que utiliza un sistema de propulsión de hélice cíclica de gran respuesta. Se espera que un Cyclocar de tamaño completo, largo alcance y seis asientos vuele en 2022.

Este sistema de propulsión cíclica coloca una serie de cuchillas (pequeñas alas o palas) de paso variable en barriles de rotación rápida. Cada pala cambia de inclinación constantemente a medida que gira el barril, lo que significa que cada esquina de la aeronave puede vectorizar su empuje en 360° casi instantáneamente, sin cambiar las RPM de los motores.

Los rusos planean usarlo con un sistema de propulsión híbrido, con propulsión completamente eléctrica y un generador de combustión de rango extendido. Se espera que el avión de seis asientos vuele a hasta 250 km/h; esto es un poco más lento que muchos diseños de multicóptero de elevación y crucero o de empuje vectorial, presumiblemente porque no tiene alas y necesita mantener su empuje vectorizado parcialmente hacia abajo en todo momento.

Los barriles de propulsión tendrán un diámetro de 1,5 metros y llevarán hasta seis personas, o 600 kg de carga útil, ya sea en versión pilotada, autónoma o controlada a distancia. Una rampa de carga en la parte trasera mejorará el acceso de pasajeros discapacitados y hará que la carga de carga sea más práctica.


Archer


Fuente: evtol.news[xi]


El avión eVTOL de cinco asientos de Archer transporta cuatro pasajeros y un piloto hasta casi 100 km a velocidades de hasta 241 km/h, utilizando las tecnologías de baterías actuales. La empresa tiene como objetivo proporcionar una opción de transporte urbano más rápida, sostenible y asequible.

La aeronave tiene 12 hélices eléctricas: seis hélices que se pueden inclinar (cada una con cinco palas) para vuelo hacia adelante y VTOL, y seis hélices fijas para vuelo solo VTOL (cada hélice tiene dos palas). El elegante fuselaje se completa con un ala principal alta, una cola en V y un tren de aterrizaje fijo de tres ruedas.

Sus 12 hélices independientes funcionan conjuntamente, tanto en el aterrizaje como en el despegue, y una vez comienza el desplazamiento horizontal toman el mando los 6 frontales, desactivándose las posteriores.


Airflow


Fuente: ainonline[xii]


Airflow está desarrollando una aeronave eSTOL (aeronave eléctrica de despegue y aterrizaje corto) autónoma para movimiento de carga en dos modelos, con las siguientes características

· Modelo 100: para 4 pasajeros u 360 kg con un alcance de 250 NM más reserva, que necesita 46 metros para despegar o aterrizar.

· Modelo 200: para 9 pasajeros o 910 kg con un alcance de 250 NM más reserva, necesita 77 metros para despegar o aterrizar.

La empresa tiene la intención de desarrollar lo que llama una “red de logística aérea” para mover carga entre almacenes y puntos de distribución con los llamados viajes de “milla media” de entre 80 y 400 km, y a velocidades de hasta 185 km/h. Cree que puede proporcionar un transporte de carga más eficiente que los camiones.

Inicialmente, el eSTOL de Airflow está diseñado para operaciones con un solo piloto y podrá transportar una carga útil de 227 kg en una cabina de 2,5 mt3. Airflow afirma que operará a alrededor de un tercio del costo promedio por hora de un helicóptero comparable o uno de los nuevos aviones eVTOL que se están desarrollando.

El concepto de diseño presenta 10 hélices en el borde de ataque del ala y una sola hélice de empuje en la parte trasera del fuselaje. Airflow está evaluando varios conceptos diferentes con la configuración final que se reflejará en un prototipo a gran escala que se espera que vuele a mediados de 2023.


Electra


Fuente: electra.aero[xiii]


El avión cuenta con ocho motores eléctricos alimentados por una combinación de baterías y un pequeño turbogenerador. Esto significa que el eSTOL no requerirá ninguna infraestructura de carga específica porque las baterías se recargarán en pleno vuelo.

El objetivo de Electra es que su avión requiera mucha menos potencia para despegar que las variantes de despegue y aterrizaje vertical. Con su solución sería posible reducir el tamaño de las baterías y por lo tanto su peso, aumentando el número de pasajeros y la carga, ya que la energía necesaria para el despegue es muy inferior.

Para ello emplea el principio de sustentación soplada combinada con la propulsión eléctrica distribuida, con lo cual se logra que la elevación por soplado sea mucho más eficiente y práctica para aplicaciones más amplias.

Su avión es capaz de navegar a velocidades inferiores a 48 km/h y alcanzar una velocidad máxima de 322 km/h. Además, también promete una autonomía bastante mayor que la que especifican las soluciones actuales, ya que puede transportar a siete personas más un piloto en una distancia de más de 800 kilómetros.

[i] https://theicct.org/publications/co2-emissions-commercial-aviation-2018 [ii] https://www.flightglobal.com/engines/magnix-rolls-out-two-more-powerful-electric-propulsion-systems/144214.article [iii] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/motores-electricos-engranajes-magneticos-nasa-movilidad-aerea/20210611200818045973.html [iv] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/motores-electricos-engranajes-magneticos-nasa-movilidad-aerea/20210611200818045973.html [v] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/mercado/voloconnect-avion-electrico-empuje-vectorial-rotores-separados/20210518195706045220.html [vi] https://embraer.com/global/en/news?slug=1206801-eve-the-first-spin-off-from-embraerx-is-launched-to-shape-the-future-of-urban-air-mobility [vii] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/avion-electrico-evtol-alas-300-km-h-40-pasajeros/20210601150231045618.html [viii] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/avion-electrico-evtol-rotores-pequenos-lilium-explica-proyecto/20210610190656045913.html [ix] https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/actualidad/fuerza-aerea-estados-unidos-presenta-primer-avion-electrico-autonomo-operaciones-salvamento/20210618095642046162.html [x] https://newatlas.com/aircraft/russia-cyclocar-evtol-protoype-flight/ [xi] https://evtol.news/archer/ [xii] https://www.ainonline.com/aviation-news/business-aviation/2020-06-10/airflow-launches-estol-electric-cargo-aircraft [xiii] https://www.electra.aero/

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