Materiales compuestos inteligentes almacenan energía y reducen el consumo de combustible de los aviones
Imagine un material de alto rendimiento capaz no solo de soportar la carga mecánica de los aviones, sino también de almacenar la energía necesaria para alimentar a su cabina y sus sistemas. ¿El resultado? Un avión de nueva generación menos dependiente del combustible y con el doble de autonomía de vuelo que sus predecesores. Aunque todavía no se ha llegado a este punto, el proyecto financiado con fondos europeos SORCERER (Structural pOweR CompositEs foR futurE civil aiRcraft) ya ha desarrollado unos supercondensadores estructurales revolucionarios y baterías estructurales que pueden combinarse para mejorar la electrificación de los aviones de próxima generación. Emile S. Greenhalgh, catedrático en Tecnologías Emergentes en la Real Academia de Ingeniería, habla sobre la nueva tecnología, su potencial y su comercialización.
A parte de en los primeros prototipos y en la I+D de los fabricantes, el avión eléctrico todavía parece un sueño lejano. ¿No le parece así? ¿Cuáles son los principales obstáculos que quedan para lograrlo?
Emile Greenhalgh: Creo que todavía estamos lejos de los grandes aviones de pasajeros totalmente eléctricos; los principales obstáculos son las densidades energéticas muy elevadas que se necesitan. Incluso si se alcanzasen, ´sería necesario resolver los problemas de seguridad relacionados con las enormes cantidades de energía contenidas en un pequeño volumen. Creo que este es el motivo por el que ahora las empresas están pasando al H2 como vía para obtener energía limpia. Sin embargo, esto no significa que no pueda aumentarse la electrificación. La cabina y los sistemas aviónicos, que tradicionalmente extraen energía de los motores, podrían beneficiarse de las nuevas tecnologías de producción de energía basadas en la electricidad. En este sentido, nos centramos en la potencia estructural. Además, los aviones más pequeños y los drones son una opción mucho más realista para la electrificación de la propulsión. De hecho, preveo un crecimiento del mercado en estos ámbitos.
Su proyecto se centra específicamente en materiales compuestos que almacenan energía. ¿Por qué son importantes y qué lagunas tecnológicas abordó exactamente? Y, ¿qué permitió que su consorcio estuviera especialmente bien preparado para abordar estos desafíos?
La potencia estructural es una forma muy elegante de abordar el doble desafío de reducir el peso de las aeroestructuras y proporcionar tecnologías de almacenamiento de energía. Sabemos que la electroquímica tradicional se propone alcanzar densidades de energía cada vez más elevadas, pero, como ya he dicho antes, estas plantearán enormes desafíos desde la perspectiva de la seguridad. La potencia estructural brinda una alternativa que satisface la electrificación del avión, a la vez que no requiere densidades de energía increíblemente elevadas. Por poner un ejemplo, hemos demostrado que, en un aerotaxi como el City Airbus, sustituir las baterías y estructuras convencionales por nuestros materiales multifuncionales para una densidad energética dada duplicaría con creces la autonomía del avión. Nuestro consorcio está formado por grupos líderes mundiales en el desarrollo de supercondensadores estructurales (Imperial e IMDEA Materials) y baterías estructurales (Chalmers y KTH), de modo que somos los más indicados para hacer avanzar esta tecnología. Imperial, Chalmers y KTH han sido pioneras en esta tecnología durante más de diez años.
¿Qué diría que es lo que hace especialmente innovador a su proyecto?
Contamos con un técnica totalmente nueva para utilizar materiales estructurales. Suele considerarse que los materiales multifuncionales poseen múltiples funciones físicas (por ejemplo, electrónicas y ópticas), pero pocas veces se considera que tengan funciones adicionales como la mecánica. Esto se debe a que la combinación de una función mecánica con funciones físicas adicionales conlleva exigencias contradictorias para el material. Por ejemplo, conseguir una elevada rigidez mecánica requiere unos componentes rígidos, pero para facilitar los fenómenos del transporte (como el flujo iónico), estos deben ser blandos. Nuestro planteamiento ha consistido en proporcionar medios para adecuar la microestructura del material a fin de controlar el equilibrio entre las distintas funciones.
¿Cuáles son los principales resultados y logros del proyecto hasta ahora?
Inicialmente nos propusimos alcanzar objetivos de rendimiento para nuestros supercondensadores y baterías estructurales, además de probarlos en un componente final. Por lo que refiere a los supercondensadores estructurales, hemos logrado unas densidades de energía y potencia de 1,4 Wh/kg y 1,1 kW/kg respectivamente. También estamos construyendo un demostrador de puerta de avión. IMDEA probó sus supercondensadores estructurales como parte de la cubierta de una caja de sistemas. En cuanto a las baterías estructurales, estamos fabricando un laminado compuesto con celdas multifuncionales. El proyecto finaliza en enero de 2021 y prevemos que, para entonces, podremos mostrar los demostradores.
Cuando finalice el proyecto, ¿a cuánto estaremos de su uso real en un avión?
En realidad, bastante lejos, porque se trata de una tecnología muy revolucionaria y se necesitará mucho desarrollo para que sea aeronavegable. El sector aeroespacial es tradicionalmente muy conservador, pero cuento con que en aplicaciones no críticas y puede que en vehículos de menor tamaño (como los drones), la potencia estructural podría adoptarse relativamente pronto, ¿quizás durante los próximos cinco años?
¿Cuáles son sus planes para después del proyecto?
En el plano personal, acaban de concederme la cátedra de Tecnologías Emergentes en la Real Academia de Ingeniería, lo cual significa que dispongo de financiación para trabajar en esto durante los próximos diez años. Por cuanto refiere al consorcio, todavía estamos en conversaciones con Airbus sobre un futuro proyecto en este ámbito. No recibimos financiación de la Unión Europea para hacer avanzar la potencia estructural, pero esperamos que en el futuro nos concedan fondos en este ámbito.
Palabras clave
SORCERER, avión, almacenamiento de energía, compuesto, demostrador, supercondensadores, baterías, electricidad, eficiencia en combustible