Uno de los principales objetivos de las agencias espaciales y la industria aeroespacial comercial en estos días es reducir los costos asociados de la exploración espacial. Pero no es solo el costo de enviar cargas útiles al espacio (y la contaminación que causa) lo que preocupa a agencias como la NASA.
También está el costo (tanto económico como ambiental) asociado con la aviación. El combustible para aviones tampoco es barato, y el transporte aéreo comercial representa del 4 al 9% de los gases de efecto invernadero antropogénicos (y está en aumento). Por esta razón, la NASA se ha asociado con la industria comercial para desarrollar aviones eléctricos, que esperan proporcionen una alternativa económica y de combustible a los aviones comerciales para 2035.
Esto representa un desafío importante ya que muchos de los componentes necesarios para crear un avión eléctrico funcional son bastante grandes y pesados. En particular, el Programa Avanzado de Vehículos Aéreos (AAVP) de la NASA está buscando inversores livianos y compactos, un componente central de un sistema eléctrico que proporciona energía para impulsar el motor eléctrico.
Los inversores son críticos para los sistemas de propulsión electrónicos, ya que convierten la corriente alterna (CA), generada por generadores montados en el motor y los motores eléctricos accionados por hélices, a la potencia de corriente continua (CC) de alto voltaje. Desafortunadamente, los componentes necesarios para generar esa cantidad de energía (generadores, electrónica de conversión de energía, motores, etc.) han sido históricamente demasiado grandes y pesados para caber en un avión.
Esto crea una especie de enigma ya que la cantidad de energía necesaria para generar el levantamiento necesario requeriría una electrónica aún más pesada. De ahí que la NASA esté investigando ciencia de materiales de vanguardia para crear productos electrónicos más livianos y pequeños. Con este fin, recientemente firmaron un contrato de $ 12 millones con General Electric (GE), uno de los líderes mundiales en el desarrollo de tecnología de vanguardia de carburo de silicio (SiC).
Este mineral semiconductor se utiliza en la fabricación de productos electrónicos de alta temperatura y alto voltaje, y GE espera usarlo para cumplir con los requisitos de tamaño, potencia y eficiencia especificados por la NASA. Estas especificaciones requieren un inversor que no sea más grande que una maleta y que sea capaz de generar un megavatio (MW) de electricidad.
Como Jim Heidmann, gerente del Proyecto de Tecnología Avanzada de Transporte Aéreo de la NASA, explicó en un comunicado de prensa de la NASA:
"Estamos en un momento crítico en la historia de la aviación porque tenemos la oportunidad de desarrollar sistemas que reducirán los costos, el consumo de energía y el ruido, al tiempo que abren nuevos mercados y oportunidades para las empresas estadounidenses. Es imperativo que trabajemos con la industria y la academia para garantizar que las tecnologías adecuadas estén disponibles para satisfacer las demandas de futuros pasajeros y transportistas ".
En pocas palabras, un megavatio es una gran cantidad de electricidad y administrar ese tipo de energía de manera segura es un gran desafío. Por ejemplo, la NASA
Pero gracias a los avances realizados en el campo de la electrónica y la tecnología de motores híbridos en los últimos años, estos requisitos podrían estar al alcance. Dijo Amy Jankovsky, gerente del subproyecto de Propulsión Híbrida Gas-Eléctrica en el Centro de Investigación Glenn de la NASA:
“Con los recientes avances en materiales y electrónica de potencia, estamos comenzando a superar los desafíos que se enfrentan al desarrollar conceptos de electrificación reductores de energía, y este trabajo del inversor es un paso crítico en nuestros esfuerzos de propulsión electrificada de aviones. Nuestra asociación con GE es clave para avanzar en el peso del vuelo y los componentes listos para el vuelo en la clase de megavatios para futuros aviones de transporte ".
El carburo de silicio es especialmente prometedor para aplicaciones de aviación de alta potencia debido a sus propiedades materiales. Ofrece altas temperaturas de operación, alto voltaje y una alta capacidad de manejo de potencia. Estas ventajas permitirán a los ingenieros la capacidad de diseñar componentes que sean más pequeños y livianos al tiempo que aumentan la potencia de salida.
"Básicamente, estamos empacando un megavatio de energía en el tamaño de una maleta compacta que convertirá suficiente energía eléctrica para permitir arquitecturas de propulsión híbrido-eléctricas para aviones comerciales", dijo Konrad Weeber, ingeniero jefe de Energía Eléctrica en GE Research. "Hemos construido y demostrado con éxito inversores a nivel del suelo que cumplen con los requisitos de potencia, tamaño y eficiencia del vuelo eléctrico".
El desarrollo de estos sistemas eléctricos se está llevando a cabo actualmente en el banco de pruebas de aeronaves eléctricas de la NASA (NEAT) en Sandusky, Ohio, que anteriormente era la instalación del túnel hipersónico Glenn de la NASA. El primero de su tipo, este banco de pruebas reconfigurable se encarga de diseñar, desarrollar, ensamblar y probar los sistemas de energía eléctrica de los aviones que se utilizarán para la creación de todo, desde aviones de dos personas hasta aviones de 20 MW.
En mayo, NEAT pudo realizar su primera prueba a escala de megavatios gracias a las enormes cantidades de energía a las que tiene acceso la instalación. Esto y la asociación recientemente firmada con GE se produce poco después de que la NASA anunciara otra asociación lucrativa con GE y dos grandes compañías aeroespaciales, Boeing y United Technologies Pratt & Whitney, para estudiar los posibles beneficios y riesgos de las demostraciones de vuelos a escala de megavatios.
Como dijo Barb Esker, subdirector del Programa Avanzado de Vehículos Aéreos de la NASA:
"Las demostraciones de vuelo son una parte importante del desarrollo tecnológico porque ofrecen a nuestros ingenieros y socios de la industria la oportunidad de resolver problemas y probar conceptos en un entorno realista, al tiempo que abordan los desafíos que enfrenta la propulsión electrificada en la aviación".
Entre la amenaza del cambio climático y el hecho de que se proyecta que la población mundial alcanzará cerca de 10 mil millones para 2050, está claro que deben desarrollarse medios alternativos de fabricación, producción de energía y transporte. Es bueno saber que, junto con los autos eléctricos e híbridos, podemos esperar aviones eléctricos e híbridos.
