Haciendo aviones más eficientes energéticamente
_{ADVERTENCIA: incremental PERO IMPORTANTE}

El cambio es necesario, y se está acercando

A medida que los aviones se vuelven más eficientes, su consumo de combustible por pasajero y milla sigue disminuyendo, pero, al aumentar el volumen total de vuelos, las emisiones totales de gases de efecto invernadero (GEI) siguen aumentando. Esto se ha descrito como el “efecto rebote”.

A grandes rasgos, en las últimas décadas se han producido continuos avances iterativos en el diseño de la configuración de los aviones. Cada vez más eficiente, el diseño adoptado en la mayoría de los aviones de la aviación comercial se ha optimizado tanto para la seguridad como para el rendimiento. Establece una clara separación entre las principales funciones del avión y sus principales componentes físicos, sustentación y almacenamiento de combustible (alas), propulsión (motor), transporte de pasajeros o carga (fuselaje) y control (empenaje).

La estabilidad de esta configuración a lo largo de las últimas décadas, las incontables horas de datos de ensayos en vuelo y la prolongada cultura de colaboración entre la comunidad aeronáutica nos han permitido alcanzar un nivel de seguridad excepcional y sin precedentes. El éxito de la aviación civil puede verse, en parte, en la confianza de los pasajeros de las aerolíneas en las aeronaves que les transportan, incluida la familiaridad con su disposición de configuración general. ¿Podría verse afectada esta confianza por importantes rediseños del fuselaje? Posiblemente. Pero el cambio se avecina de todos modos.

Por ejemplo, es muy probable que las nuevas fuentes de energía provoquen cambios importantes en las arquitecturas de los fuselajes, al menos en el caso de las naves propulsadas por hidrógeno. SAF no necesitará un rediseño, lo que contribuye en parte a su uso como solución a corto plazo. Pero incluso cuando no hay una necesidad crítica de rediseño, todavía quedan muchas mejoras por hacer en el propio fuselaje.

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Eficiencia energética: enfoques alternativos

Hay varias posibilidades de mejorar los aviones actuales para exprimir esos porcentajes extra de eficiencia. Aquí veremos algunas.

Aerodinámica mejorada y “alas inteligentes”

Actualmente, la adaptación de la forma del ala del avión a sus condiciones externas y a la fase de vuelo es muy limitada. Se basa en movimientos lentos y discontinuos de las piezas (slats y flaps), lo que la aleja mucho del movimiento ideal de un pájaro, que puede modificar la forma y orientación de sus alas de forma muy eficaz.

Un ala de avión que pudiera responder al flujo de aire de forma similar a las que se observan en la naturaleza sería mucho más eficaz, pero requeriría un rediseño fundamental. Esta es la premisa de un “ala inteligente”, que podría combinar sensores inteligentes en todo el exterior de la aeronave (para detectar cambios locales en el flujo de aire) y actuadores inteligentes que puedan reaccionar muy rápidamente a estos cambios, accionados por un sistema de control capaz de determinar rápidamente la reacción óptima en un plazo de tiempo muy corto.

Los datos recogidos por los sensores también podrían retroalimentar el modelo digital del fuselaje y utilizarse para mejorarlo. Replantear el modelo tradicional de ala de la manera descrita anteriormente aumenta las oportunidades de rediseñar aún más la aeronave.

Electrificación parcial/completa

Como ya se ha comentado en el artículo anterior, la sustitución de los sistemas hidráulicos por superficies de control eléctricas es una forma de reducir el peso de la aeronave y aumentar su eficiencia sin tener en cuenta la fuente de energía. La electrificación tampoco es una idea nueva, comenzó con la introducción de sistemas de control de vuelo eléctricos hace décadas. Hoy en día, la tendencia es hacia un número creciente de componentes eléctricos, que asumen cada vez más funciones clave de vuelo. El perfeccionamiento de la tecnología de las baterías es uno de los principales motores, pero aún queda mucho camino por recorrer.

Materiales nuevos y mejorados

En el sector aeroespacial, el peso es un factor determinante de la eficiencia. Las mejoras estructurales incluyen materiales ligeros, como los compuestos de fibra de carbono, que pueden utilizarse no sólo en el fuselaje, sino también en los subsistemas del avión. Otros materiales prometedores son los biocompuestos, derivados de fuentes biológicas y minerales, y el grafeno, descubierto en 2004.

El reto consiste en escalar los nuevos materiales prometedores hasta el punto en que sean baratos y abundantes, lo suficiente para que puedan utilizarse a la escala que requiere la industria de la aviación comercial. Y, por supuesto, superar con éxito el riguroso proceso de certificación establecido por las autoridades internacionales.

En lugar de revisar por completo los principales componentes de los aviones, es más probable que veamos un enfoque gradual, con la sustitución de piezas de aviones con el tiempo por equivalentes de fibra de carbono más ligeros.

Fabricación aditiva (Aditive Manufacturing – AM)/impresión 3D

La AM es prometedora. General Electric la describe como el potencial de “mejores prestaciones con menos piezas”. En teoría, puede simplificar los diseños (y la fabricación) y ahorrar costes. Menos piezas significa un fuselaje más ligero y menos consumo de combustible. También promete una mayor durabilidad, ya que menos uniones soldadas y piezas conectadas ofrecen menos puntos de fallo potencial.

Aunque no está directamente relacionada con la eficiencia en servicio, la fabricación aditiva ofrece la posibilidad de reducir los residuos: al evitar la sobreproducción (ya que los componentes pueden imprimirse bajo demanda limitando también el almacenamiento), y el gasto de energía y la pérdida de material en el fresado y el conformado.

Sin embargo, dados los requisitos de garantía de seguridad del sector aeroespacial, la fabricación aditiva aún no es adecuada para todas las piezas de un avión (y, desde luego, aún no es un componente principal impreso en 3D). Otras deficiencias son las limitaciones de tamaño, la velocidad/escalabilidad de la producción, la limitada gama de materiales disponibles y el reto de crear piezas fabricadas con múltiples materiales. Una vez más, es probable que se adopte un enfoque gradual.

Hélices

La configuración física de los aviones depende en parte de su velocidad en la fase de crucero. El diseño actual pretende ser lo más rápido posible, sin dejar de ser subsónico (ya que las condiciones supersónicas crean limitaciones de diseño y problemas de rendimiento adicionales).

Sin embargo, si priorizamos la eficiencia sobre la velocidad y reducimos aún más la velocidad, creamos más oportunidades para aviones más lentos para distancias más cortas. De hecho, esto ya lo vemos en el éxito de los diseños de turbohélices, que tienden a servir rutas más cortas y pueden superar a los reactores a velocidades y altitudes más bajas. De hecho, vale la pena mencionar que la mayoría de los esfuerzos relacionados con las plantas de energía eléctrica de hidrógeno (por ejemplo, ZeroAvia, Universal Hydrogen) se están probando en plataformas de hélice.

Por otra parte, y siguiendo una visión común de GE y Safran a través de su empresa conjunta, CFM International, se están invirtiendo importantes esfuerzos en un diseño similar: los “motores de rotor abierto” o “propfans”. Esta tecnología de propulsión utiliza rangos contrarrotatorios de palas no inducidas y retorcidas, y permite a las aeronaves alcanzar velocidades más altas que los diseños de hélice pura, al tiempo que presenta ganancias significativas en términos de consumo de combustible y emisiones. Aunque estos diseños introducen dificultades adicionales en torno a la certificación y el rendimiento acústico, en los últimos años han alcanzado un nivel de madurez que los convierte en una opción seria y esperanzadora.

¿Qué deberían hacer las compañías?

Integrar la evaluación del ciclo de vida y la economía circular en los diseños y rediseños

Para que un avión sea eficiente desde el punto de vista energético no basta con saber cómo funciona cuando vuela, sino que también hay que asegurarse de que el propio avión (y, por extensión, todos sus componentes) se fabriquen de la forma más eficiente posible desde el punto de vista energético y de las emisiones de carbono. Por ejemplo, ¿se pueden utilizar materiales reciclados (y reciclables)? Para ello es necesario conocer a fondo la cadena de suministro de cada componente de la aeronave.

Establecer vínculos con instituciones de investigación, universidades y start-ups

Las tecnologías que contribuirán a que los aviones del mañana sean más eficientes desde el punto de vista energético ya están (probablemente) en sus primeras fases de desarrollo en el laboratorio. Las start-ups con ideas atrevidas y procesos ágiles pueden desarrollar nuevas tecnologías valiosas más rápido que los equipos internos. Por tanto, es importante explorar el horizonte y crear ecosistemas de socios para saber qué laboratorios, empresas emergentes e instituciones disponen de la tecnología y la propiedad intelectual necesarias para mejorar sus diseños.

Impulso de las normas abiertas y la interoperabilidad

También existe una necesidad acuciante de desarrollar (y respaldar) normas e interfaces de ingeniería digital no propietarias, lo que contribuirá a garantizar que las ventajas de la ingeniería digital puedan compartirse en proyectos complejos con múltiples proveedores.

Aprender de los innovadores del sector del automóvil

El sector aeroespacial podría aprender algunas cosas de otros sectores, en particular de la automoción. Por ejemplo, Tesla fue capaz de crear innovaciones rápidas y disruptivas trabajando en un PLM basado en la nube, que se actualizaba directamente con los datos de sensores y pruebas de los vehículos. Esto les proporcionó información en tiempo real y les permitió utilizar la IA en esos datos para recopilar información y crear simulaciones. La variedad de problemas de electrificación superados por los fabricantes de vehículos eléctricos (VE) es también una fuente de innovación muy valiosa para la aeronáutica.

Ser todo lo digital que puedas

La mayoría de los actores de la aviación poseen cierto nivel de capacidad de ingeniería digital, pero éste puede ser un ámbito en el que “más es casi siempre mejor”.

Por ejemplo, el hilo digital crea la oportunidad de una continuidad digital entre el diseño, la fabricación y el funcionamiento. Al fin y al cabo, el ciclo de vida de un avión es de 60-70 años, con una estricta necesidad de gestión y mantenimiento. Esto supone un amplio margen de tiempo para recopilar datos. Estos datos pueden retroalimentarse al hilo digital a partir de los datos operativos y de mantenimiento para optimizar aún más los diseños de las aeronaves.

Como ya se ha dicho, la infraestructura digital está madura en las principales empresas aeroespaciales. Los fabricantes más avanzados (por ejemplo, Airbus y Boeing) han creado complejas infraestructuras de simulación y ecosistemas de entornos de prueba totalmente virtuales. Esto se hace, por ejemplo, durante la fase de diseño, mediante el uso extensivo de la simulación física avanzada, que permite a los fabricantes comprender, predecir y validar con gran fidelidad comportamientos físicos complejos en aerodinámica, dinámica estructural, termodinámica y acústica.

Este proceso también puede aplicarse plenamente en la fase de verificación y validación, desde la aeronave completa hasta el nivel de los componentes individuales, lo que permite realizar gran parte del trabajo antes de “cortar el acero”, reduciendo drásticamente los costes y las pruebas de vuelo necesarias. Esto es más seguro y más barato. La combinación inteligente de datos procedentes de la simulación virtual, las pruebas en tierra y las pruebas en vuelo puede utilizarse para optimizar y acelerar el proceso de certificación.