El futuro de la aviación se orienta hacia aeronaves más eficientes, silenciosas y sostenibles, impulsado por avances significativos en combustibles alternativos (hidrógeno, combustibles sintéticos, biocombustibles y combustibles sostenibles aeronáuticos SAF), el desarrollo de aviones eléctricos e híbridos para trayectos cortos y la digitalización de las operaciones. Esta evolución está impulsando el desarrollo de tecnologías avanzadas en todos los sistemas, incluyendo la gestión térmica, dado que se espera que las aeronaves futuras requieran evacuar megavatios (MWs) de calor de sus equipos eléctricos, en lugar de los kilovatios (KWs) requeridos por las aeronaves actuales. Es por este motivo, que se espera que los motores eléctricos de alta potencia, convertidores, baterías o pilas de combustible se vuelvan más sofisticados, y el control del calor generado se convierta en un reto crítico para garantizar la seguridad, eficiencia, reducción de emisiones y durabilidad de las aeronaves.

Los desafíos térmicos futuros en la aviación se enmarcan en una transición hacia aeronaves eléctricas e híbridas, lo que implica gestionar un incremento significativo en la densidad energética de sistemas como baterías, motores eléctricos y electrónica de potencia. Asimismo, el desarrollo de aeronaves hipersónicas, capaces de alcanzar velocidades superiores a Mach 5, introduce un calentamiento aerodinámico extremo debido a la fricción con el aire, donde la gestión eficiente del calor y el diseño de materiales resistentes son esenciales para prevenir fallos estructurales. Paralelamente, la evolución hacia una aviónica de alto rendimiento, caracterizada por una creciente complejidad en sistemas electrónicos y conectividad a bordo (sensores, procesadores y redes), genera mayores cargas térmicas, cuyo sobrecalentamiento puede derivar en fallos críticos. Finalmente, se requieren nuevas soluciones térmicas en el diseño estructural y en la integración de rutas de disipación de calor, considerando el uso de materiales avanzados como compuestos de fibra de carbono y aleaciones ligeras de titanio, que mejoran la eficiencia estructural, pero presentan limitaciones en conductividad térmica. 

Todo este marco de desafíos hace que se vayan a requerir soluciones más sofisticadas y eficientes para mantener la integridad, seguridad y funcionalidad de todos los sistemas de la aeronave. 

Este conjunto de desafíos exige soluciones térmicas cada vez más sofisticadas y eficientes para garantizar la integridad, seguridad y funcionalidad de todos los sistemas de la aeronave. La gestión y el control térmico en las aeronaves del futuro requerirán innovaciones disruptivas, incluyendo tecnologías avanzadas de refrigeración. Entre ellas destacan los sistemas de refrigeración líquida y por bombeo para aviónica y sistemas de potencia, dado que la refrigeración líquida ofrece una eficiencia significativamente superior frente a la refrigeración por aire. El empleo de sistemas de bombeo permite disipar grandes cantidades de calor de forma compacta, fiable y eficiente. Asimismo, los sistemas de refrigeración activa, basados en circulación de fluidos, intercambio térmico y control electrónico, incluyen soluciones como microcanales integrados en componentes electrónicos para disipación localizada, así como refrigeración por compresión en cabinas y electrónica crítica.

En el caso de aeronaves impulsadas por hidrógeno, el objetivo es desarrollar un transporte más limpio mediante la integración de pilas de combustible y superconductores operando en condiciones criogénicas (temperaturas inferiores a -153 °C). Estas tecnologías permiten reducir el voltaje y minimizar las pérdidas eléctricas, manteniendo bajo control el peso y el volumen del sistema global. De este modo, se logra disminuir drásticamente la generación de calor y aumentar la eficiencia del sistema propulsivo.

Los sistemas pasivos de gestión térmica se basan en tecnologías que aprovechan materiales con alta conductividad térmica y mecanismos de cambio de fase para transferir calor sin aporte energético externo. Entre estas soluciones destacan los sistemas de bombeo térmico con ciclo de evaporación-condensación, como los heat pipes y loop heat pipes, capaces de transportar calor de manera eficiente y pasiva. Estas tecnologías son aplicables en baterías, electrónica de potencia y zonas de alta carga térmica, pudiendo integrarse en estructuras internas o compartimentos aislados.

Por otro lado, los recubrimientos térmicos inteligentes avanzados ofrecen la posibilidad de controlar la emisividad y reflectividad de las superficies externas. Ejemplos relevantes incluyen recubrimientos cerámicos, caracterizados por su resistencia a altas temperaturas y baja conductividad, y materiales termocrómicos, que modifican sus propiedades ópticas en función de la temperatura. Estas soluciones no solo contribuyen a la gestión térmica, sino que también pueden facilitar la detección temprana de fallos y optimizar las tareas de mantenimiento.

Estas nuevas necesidades de control térmico van a implicar una mayor integración de la gestión térmica en el diseño aeronáutico y evitar su consideración como un sistema independiente. El diseño térmico futuro va a requerir simulación multifísica que integre mecánica, fluidos, electrónica y transferencia de calor. Distintas herramientas ya permiten modelar la interacción térmica en tiempo real y la optimización topológica térmica puede ayudar a distribuir materiales y canales de refrigeración de forma eficiente. Así mismo, la búsqueda de un diseño modular y redundante va a permitir aislar zonas térmicamente críticas y facilitar su mantenimiento y la redundancia térmica podrá garantizar que el sistema mantenga su funcionalidad ante posibles fallos. El uso de sensores térmicos distribuidos podrá ayudar a monitorizar en tiempo real y el control adaptativo ajustar el flujo térmico según las condiciones de vuelo. Un diseño estructural integrado va a permitir incorporar soluciones de disipación de calor directamente en el diseño de la estructura del avión, utilizando, por ejemplo, la propia estructura del fuselaje o las alas como intercambiadores de calor superficiales. Así como materiales avanzados en aeronaves hipersónicas como materiales cerámicos y compuestos de matriz metálica que puedan soportar las temperaturas extremas del calentamiento aerodinámico. El uso de recubrimientos reflectantes en el fuselaje también puede ayudar a desviar el calor generado.

En relación a la eficiencia de la aeronave, una de las ideas más prometedoras para los aviones eléctricos es la recuperación de calor de gases de escape, de baterías y otros sistemas para ser reutilizado. Este calor puede usarse para la calefacción de la cabina, aumentando así la eficiencia energética del avión. Finalmente, respecto al desarrollo de innovaciones y soluciones tecnológicas de gestión térmica en las aeronaves del futuro cabe destacar el uso de la IA, inteligencia artificial generativa como potenciador de las soluciones antes mencionadas y en particular como predicción de patrones térmicos, optimización del uso de energía y anticipación de fallos térmicos mediante el desarrollo de su autonomía, determinación, autoridad y aprendizaje continuo.

El proyecto HE-ART

El proyecto HE-ART (Hybrid Electric propulsion system for regional AiRcrafT) de CLEAN AVIATION bajo un consorcio de 37 socios, con presencia de CAPGEMINI y un presupuesto total de más de 60 Millones de euros y financiación de la Unión Europea de 44 Millones de euros lanzado en 2023, se enmarca en el desarrollo y validación de este tipo de tecnologías emergentes. Concretamente busca desarrollar y probar un demostrador de motor turbohélice híbrido eléctrico para aviación regional, combinando un motor térmico con propulsión eléctrica con el objetivo de mejorar la eficiencia y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 30% y siendo compatible con combustibles de aviación 100% sostenibles.

Cabe destacar finalmente que la gestión de calor en futuras aeronaves será un factor determinante en el éxito de la aviación sostenible, eléctrica y de alta velocidad y por ello va a requerir de un enfoque multidisciplinar, de la integración de tecnologías avanzadas desde las primeras etapas del diseño, materiales avanzados, sistemas activos y pasivos de refrigeración térmica, hidrógeno, criogenización y superconductores y el uso inteligente de la IA generativa para superar los retos térmicos y abrir nuevas posibilidades en el transporte aéreo.