aviación de nueva generación:
_{retos y lecciones para el sector aeroespacial}

¿Qué es la aviación de próxima generación?

Aunque la aviación de nueva generación engloba diversas innovaciones en el sector, la tecnología de despegue y aterrizaje vertical eléctrico (eVTOL, electric vertical take-off and landing) destaca especialmente. Esta tecnología, alimentada por baterías o pilas de combustible, impulsa un conjunto distribuido de grupos motopropulsores eléctricos con hélices basculantes, lo que permite un vuelo vertical casi silencioso, barato y sin emisiones.

El eVTOL no sólo representa un paso fundamental hacia una aviación plenamente sostenible, sino que también encierra un importante potencial para alterar los ecosistemas regionales. Si se cargan con energía renovable, estas aeronaves eVTOL ayudarán a aliviar la congestión de las ciudades y proporcionarán desplazamientos más rápidos y baratos.

Esta nueva generación de aeronaves no sustituye a los aviones de larga distancia, sino que constituye un nuevo modo de transporte aéreo con una serie de nuevos usos. Los drones que utilizan técnicas VTOL ya son habituales en aplicaciones de vigilancia, inspección y militares. Los eVTOL de mayor tamaño -algunos de los cuales pueden llegar a estar automatizados- ya están en fase avanzada de desarrollo y tienen previsto transportar pasajeros o carga a través y entre zonas urbanas.

Mientras los primeros VTOL empiezan a encontrar usos comerciales, se están explorando enfoques aún más innovadores. Jetoptera, por ejemplo, utiliza compresores eléctricos para crear un diferencial de presión de aire en el centro de un anillo (como un Dyson Airblade) que empuja el aire a gran velocidad, generando empuje. Afirma que su método podría ahorrar hasta un 50% más de combustible que un propulsor. Se trata de un campo plagado de innovaciones.

Lo que llama la atención es que, creadas desde cero en el siglo XXI, estas innovaciones se centran en la propulsión sostenible y la mayoría se basan en software inteligente e ingeniería digital. Por lo tanto, son interesantes, tanto por la forma en que darán forma al futuro de la aviación, como por lo que pueden enseñar a algunas de las empresas aeroespaciales tradicionales.

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Los retos de la aviación de próxima generación

Poner en marcha un medio de transporte totalmente nuevo, sobre todo uno que pueda sobrevolar zonas urbanas densamente pobladas, está plagado de retos técnicos.

Por ejemplo, Ascendance Technologies, una innovadora startup de movilidad del futuro de la que Capgemini es socio, ha desarrollado un nuevo sistema de propulsión híbrido llamado STERNA, un sistema eléctrico que puede alimentarse con combustible y/o baterías, que está instalado en su ATEA VTOL, pero que tiene potencial para instalarse en cualquier vehículo volador de alcance pequeño/medio. El éxito del eVTOL exige resolver una serie de retos. Por ejemplo, desarrollar una tecnología de este tipo requería una arquitectura eléctrica completamente nueva y una gestión térmica compleja para transformar la energía en empuje, con nuevos diseños de alas y hélices para optimizar la física del vuelo y reducir el ruido. Y todo ello dentro de los estrictos límites de la normativa de seguridad. Más información sobre el trabajo de Ascendance Flight Technologies aquí.

Para la propulsión eléctrica, la optimización de las baterías es quizá el reto más acuciante. Los pequeños vehículos voladores necesitan una alta densidad de energía y de potencia, así como ciclos de vida prolongados; y al final tendrán que fabricarse en grandes volúmenes y a bajo coste si quieren tener un modelo de negocio viable. Los taxis aéreos también necesitarán velocidades de carga rápidas para poder transportar pasajeros constantemente: cada minuto de inactividad mientras se cargan supone una pérdida de ingresos.

Las transmisiones eléctricas deberán optimizarse para la conversión de energía de la batería al motor. Y la relación peso/potencia -aunque no sea la misma que la de los grandes aviones eléctricos- debe reducirse mediante un diseño eficiente y la elección de materiales, para aprovechar al máximo la energía de la batería.

El diseño para la aceptación del usuario es otro reto, y puede ser nuevo para la aviación, donde los aviones han existido históricamente fuera de la vista y el oído de la gente. Pero llenar los cielos de las ciudades de máquinas voladoras no será del agrado de todo el mundo y los eVTOL pueden enfrentarse a una fuerte resistencia. Aunque se trata en parte de un problema de comunicaciones, estas aeronaves tendrán que diseñarse y fabricarse de forma que sean lo menos intrusivas posible. El ruido es un reto especial. Según la NASA, las hélices de los drones son uno de los sonidos más molestos que se puedan imaginar. Diseñar vehículos más silenciosos, sobre todo para el despegue y el aterrizaje, puede ser decisivo para la aceptación de los usuarios.

Y, por supuesto, todo esto debe hacerse sin comprometer la seguridad.

Una llamada a los mejores cerebros de la ingeniería para resolver los retos más difíciles

A lo largo de esta serie de artículos sobre aviación sostenible, el tema recurrente ha sido la necesidad de una ingeniería de alta calidad, apoyada por herramientas digitales de vanguardia y el uso de software y datos, para superar retos complicados. La aviación de nueva generación no es una excepción.

Será fundamental que las empresas de eVTOL cuenten con experiencia en baterías y capacidad de modelado. Las baterías tienen un rango de temperatura óptimo, y la gestión térmica es clave para su optimización. Pero esto depende en gran medida del caso de uso: las temperaturas ambiente y la dispersión del calor son diferentes en el aire que en tierra. Se necesitarán expertos en gestión térmica para comprender las baterías aerotransportadas y, mediante modelos y simulaciones basados en la física, diseñar sistemas de transferencia de calor que optimicen el rendimiento y garanticen la seguridad.

Del mismo modo, la ingeniería digital permite a los ingenieros simular y analizar en un entorno virtual el comportamiento de otros componentes clave, como las cualidades de pilotaje en vuelo y el escalado operativo. Esto les permite identificar fallos de diseño y optimizar el rendimiento antes de iniciar la fabricación. También habrá que escribir software a medida para optimizar todo el producto en uso, desde los sistemas de gestión de baterías (BMS) hasta los controles de vuelo y las cualidades de maniobrabilidad.

Una vez iniciadas las pruebas, los datos obtenidos de las simulaciones y, posteriormente, de los sensores a bordo, pueden retroalimentar un proceso iterativo para optimizar aún más el diseño. Esto permite a los ingenieros tomar decisiones cada vez más informadas sobre el diseño de componentes, la selección de materiales y la arquitectura del sistema.

Un enfoque de ingeniería digital, respaldado por conocimientos reales de ingeniería, también puede ayudar a probar rápidamente nuevos conceptos. Por ejemplo, un equipo del MIT ha estado investigando el uso de hélices toroidales para reducir el ruido. El equipo creó modelos digitales, imprimió sus prototipos en 3D y recopiló datos de uso para iterar el diseño.

Por último, aunque nos centramos en la aviación sostenible, cabe señalar que la aviación de nueva generación se enfrenta a otros retos, como la automatización, los protocolos de comunicación, la gestión del tráfico aéreo o la formación de pilotos. Aunque no se trata estrictamente de cuestiones de sostenibilidad, habrá que superarlas para que este modo de transporte sostenible pueda volar. Todo ello también se beneficiará de los conocimientos digitales, de datos y de software.

Un nuevo reto de certificación

Una vez creada una nueva aeronave, también hay que certificarla. Conseguir la certificación exige pruebas en tierra, simulaciones, adquisición de datos en vuelo, pruebas críticas de software y una detallada recopilación de datos y elaboración de informes, con el fin de cumplir los requisitos de aeronavegabilidad de la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA)/Administración Federal de Aviación (FAA). Esta es la tarea más costosa y difícil antes de entrar en el mercado. Es un reto especial para un nuevo modo de transporte sin precedentes de certificación.

Las tecnologías digitales pueden ayudar a agilizar y optimizar procesos complejos, al tiempo que ofrecen un grado de rigor que ayudará a asegurar a los reguladores, que todavía están trabajando en esta nueva industria. Entre las oportunidades se incluyen la automatización de la captura de datos en las pruebas para acelerar el proceso, la aplicación de inteligencia artificial a esos datos para crear escenarios de ensayo simulados y el uso de datos intersectoriales para desarrollar algoritmos de detección de anomalías que puedan automatizar elementos críticos de las pruebas (conoce más sobre la certificación de eVTOL).

Una plataforma para la innovación

La aviación de nueva generación es un campo minado, pero un campo minado en el que compiten muchas empresas. Aún no está claro quién saldrá vencedor, pero sea quien sea necesitará equipos de personas cualificadas con experiencia en ingeniería, ingeniería digital, software y certificación.

La aviación de nueva generación puede parecer un negocio obvio para las empresas aeroespaciales actuales. Conocen el mundo del vuelo, la ingeniería aeroespacial y la certificación. Las empresas de aviación también pueden sentirse más fiables que otras cuando se trata de mantener la seguridad de las personas en el aire.

Pero las lecciones de los vehículos eléctricos (VE) también sitúan a los fabricantes de automóviles en una sólida posición para ayudar a fabricar aviones eléctricos. Stellantis acordó recientemente una alianza con Archer Aviation, a través de la cual fabricará en exclusiva su Midnight eVTOL, como parte de una asociación que aporta capital, capacidad de fabricación y acceso a la cadena de suministro. Toyota, Porsche, Hyundai y Daimler, entre otras, colaboran con empresas de aviación de nueva generación (Joby, Eve, Supernal y Volocopter, respectivamente).

Del mismo modo, el transporte eléctrico se considera cada vez más una industria impulsada por el software, ya que las piezas móviles de los vehículos eléctricos son en realidad bastante sencillas, y es en los sistemas de control, la conectividad y la optimización digital donde reside el verdadero valor. Esto sitúa a los gigantes tecnológicos en un buen lugar. Y, por supuesto, los antiguos empleados de todos ellos pueden decidir crear sus propias empresas, como ya han hecho muchos.

En resumen, se trata de un mercado duro y competitivo con muchos riesgos. Los innovadores en este campo tendrán que trabajar intensamente para optimizar la eficiencia y los niveles de ruido, mantener los costes bajos y garantizar una atención rigurosa a la seguridad.

Sin embargo, otra interpretación es que la aviación de nueva generación formará parte de una transformación colaborativa que apoye a toda la industria. Ya vemos indicios de que hay gente que abandona las grandes empresas aeroespaciales para crear empresas eVTOL con mentalidad de “startup digital”, que innovan rápidamente y luego colaboran o son adquiridas por sus antiguos empleadores, que les ayudan con la ampliación y la certificación.

Este enfoque colaborativo no sólo hace avanzar más rápidamente la innovación de nueva generación hacia la comercialización, sino que también aporta a las empresas establecidas los conocimientos tan imprescindibles de las startups innovadoras. Esto ayuda a crear la cultura que las empresas aeroespaciales necesitarán para transformarse más ampliamente.