Més ràpid, més silenciós, més net: un nou motor d'avió

Resulta que per canviar molt en l'aviació, no cal buscar noves hèlixs, dissenys futuristes o materials espacials. N'hi ha prou amb utilitzar una transmissió manual relativament senzilla...

Aquesta és una de les novetats més importants dels darrers anys. Els motors de turboventilador amb engranatges (GTF) permeten que el compressor i el ventilador girin a diferents velocitats. L'engranatge d'accionament del ventilador gira amb l'eix del ventilador, però separa el motor del ventilador del compressor i la turbina de baixa pressió. El ventilador gira a una velocitat més baixa, mentre que el compressor i la turbina de baixa pressió funcionen a una velocitat més alta. Cada mòdul de motor pot funcionar amb una eficiència òptima. Després de 20 anys d'investigació i desenvolupament i aproximadament 1000 mil milions de dòlars en despesa en investigació i desenvolupament, la família de motors turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G estava preparada per al servei fa uns quants anys i s'ha adoptat àmpliament en avions comercials des del XNUMX.

Els motors turboventiladors moderns produeixen empenta de dues maneres. En primer lloc, els compressors i la cambra de combustió es troben al seu nucli. A la part davantera hi ha un ventilador que, accionat pel nucli, força l'aire a través de les cambres de derivació al voltant del nucli del motor. La relació de bypass és la relació entre la quantitat d'aire que passa pel nucli i la quantitat d'aire que hi passa. En general, les relacions de bypass més altes signifiquen motors més silenciosos, més eficients i més potents. Els motors turboventiladors convencionals tenen una relació de bypass de 9 a 1. Els motors Pratt PurePower GTF tenen una relació de bypass de 12 a 1.

Per augmentar la relació de bypass, els fabricants de motors han d'augmentar la longitud de les pales del ventilador. Tanmateix, quan s'estén, les velocitats de rotació obtingudes a la punta de la fulla seran tan altes que es produiran vibracions no desitjades. Necessites les pales del ventilador per reduir la velocitat, i per això serveix la caixa de canvis. Segons Pratt & Whitney, aquest motor pot arribar al 16 per cent. major estalvi de combustible i un 50 per cent. menys emissions d'escapament en un 75 per cent. tranquil. Recentment, SWISS i Air Baltic van anunciar que els seus motors a reacció GTF de la sèrie C consumeixen encara menys combustible del que promet el fabricant.

Motor PW1100G-JM a la línia de producció

La revista TIME va nomenar el motor PW1000G com un dels 50 invents més importants del 2011 i un dels sis invents més ecològics perquè Pratt & Whitney PurePower està dissenyat per ser més net, més silenciós, més potent i utilitzar menys combustible que els motors a reacció existents. El 2016, Richard Anderson, llavors president de Delta Air Lines, va qualificar el motor de "la primera innovació veritable" des que el Dreamliner de Boeing va revolucionar la construcció composta.

Estalvi i reducció d'emissions

El sector de l'aviació comercial emet més de 700 milions de tones de diòxid de carboni anualment. Tot i que això és només al voltant del 2 per cent. emissions globals de diòxid de carboni, hi ha proves que els gasos d'efecte hivernacle del combustible per a avions tenen un impacte més gran a l'atmosfera perquè s'alliberen a altituds més altes.

Els principals fabricants de motors s'esforcen per estalviar combustible i reduir les emissions. El competidor de Pratt, CFM International, va presentar recentment el seu propi motor avançat anomenat LEAP, que segons els funcionaris de l'empresa ofereix resultats similars al turbofan amb engranatges mitjançant diferents solucions. CFM afirma que amb una arquitectura de turboventilador tradicional, es poden aconseguir els mateixos beneficis sense el pes i l'arrossegament afegits de la transmissió. LEAP utilitza materials compostos lleugers i pales de ventilador de fibra de carboni per aconseguir millores d'eficiència energètica que, segons la companyia, són comparables a les aconseguides amb el motor Pratt & Whitney.

Fins ara, les comandes de motors d'Airbus per a l'A320neo es reparteixen aproximadament per parts iguals entre CFM i Pratt & Whitney. Malauradament per a aquesta darrera empresa, els motors PurePower causen problemes als usuaris. El primer va aparèixer aquest any quan es va registrar un refredament desigual dels motors GTF de l'Airbus A320neo de Qatar Airways. Un refredament desigual pot provocar deformacions i friccions de les peces i, al mateix temps, augmentar el temps entre vols. Com a resultat, la companyia aèria va concloure que els motors no complien els requisits operatius. Poc després, les autoritats d'aviació índies van posar a terra 11 avions Airbus A320neo propulsats per motors PurePower GTF. La decisió es va prendre després que els avions propulsats per Airbus GTF patissin una fallada de motor tres vegades en dues setmanes, va informar l'Economic Times. Pratt & Whitney minimitza aquests reptes, dient que són fàcils de superar.

Ventilador electrònic Airbusa

Un altre gegant de motors d'avions, Rolls-Royce, està desenvolupant la seva pròpia caixa de canvis elèctrica, que el 2025 reduirà el consum de combustible dels grans motors turboventiladors en un 25%. en comparació amb els models més antics de la famosa línia de motors Trent. Això, per descomptat, significa un nou concurs de disseny de Pratt & Whitney.

Els britànics estan pensant en altres tipus d'innovació. Durant el recent Saló Aeri de Singapur, Rolls-Royce va llançar la iniciativa IntelligentEngine, que té com a objectiu desenvolupar motors d'avions intel·ligents més segurs i eficients en poder comunicar-se entre ells i mitjançant una xarxa de suport tècnic. En proporcionar una comunicació bidireccional contínua amb el motor i altres parts de l'ecosistema del servei, el motor pot resoldre problemes abans que es produeixin i aprendre a millorar el rendiment. També aprendrien de la història del seu treball i d'altres motors i, en general, fins i tot haurien de reparar-se sobre la marxa.

La unitat elèctrica necessita millors bateries

L'Aviation Vision 2050 de la Comissió Europea parla de reduir les emissions de CO.₂ en un 75 per cent, els òxids de nitrogen en un 90 per cent. i el soroll en un 65 per cent. No es poden aconseguir amb les tecnologies existents. Actualment, els motors elèctrics i híbrids-elèctrics es consideren una de les tecnologies més prometedores per afrontar aquests reptes.

Hi ha avions lleugers elèctrics de dues places al mercat. Els cotxes híbrids elèctrics de quatre places estan a l'horitzó. La NASA prediu que els avions de línia de nou seients de curt recorregut d'aquest tipus tornaran els serveis d'aviació a les petites comunitats a principis dels anys 20. Tant a Europa com als Estats Units, els científics creuen que l'any 2030 és possible construir un avió híbrid-elèctric amb una capacitat de fins a 100 seients. Tanmateix, caldrà un avenç significatiu en l'emmagatzematge d'energia.

Actualment, la densitat d'energia de les bateries simplement no és suficient. Tanmateix, tot això podria canviar. El cap de Tesla, Elon Musk, va dir que una vegada que les bateries siguin capaços de produir 400 watts-hora per quilogram i la relació de potència cel·lular a pes total sigui de 0,7-0,8, un avió transcontinental elèctric es convertirà en una "alternativa sofisticada". Tenint en compte que les bateries d'ions de liti van poder assolir densitats d'energia de 113 Wh/kg el 1994, 202 Wh/kg el 2004, i ara són capaços d'assolir uns 300 Wh/kg, es pot suposar que assoliran nivells dins del la propera dècada 400 Wh/kg.

Projecte de taxi aeri elèctric de dues places Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce i Siemens s'han associat recentment per desenvolupar el demostrador de vol E-Fan X, que representarà un avenç significatiu en la propulsió híbrida-elèctrica per a avions comercials. S'espera que es demostri la tecnologia elèctrica híbrida de l'E-Fan X. El Fan X volarà el 2020 després d'una àmplia campanya de proves a terra. En la primera etapa, el BAe 146 substituirà un dels seus quatre motors per un motor elèctric de dos megawatts. Posteriorment, es preveu substituir la segona turbina per un motor elèctric després de demostrar la maduresa del sistema.

Airbus serà responsable de la integració global, així com de l'arquitectura de control del tren de propulsió elèctric híbrid i les bateries, així com de la seva integració amb els sistemes de control de vol. Rolls-Royce serà responsable del motor de la turbina de gas, el generador de dos megawatts i l'electrònica de potència. Rolls-Royce també treballarà amb Airbus per adaptar els ventiladors a la góndola i el motor elèctric de Siemens existents. Siemens subministrarà els motors elèctrics de dos megawatts i el controlador electrònic de potència, així com l'inversor, el convertidor i el sistema de distribució d'energia.

Molts centres d'investigació d'arreu del món estan treballant en avions elèctrics, inclosa la NASA, que està construint el X-57 Maxwell. També s'està desenvolupant un projecte per al taxi aeri elèctric de dues places Kitty Hawk i moltes altres estructures de grans centres, empreses o petites start-ups.

Atès que la vida útil mitjana dels avions de passatgers i de càrrega és d'uns 21 i 33 anys respectivament, fins i tot si tots els avions nous produïts demà fossin totalment elèctrics, es necessitarien dues o tres dècades per eliminar els avions propulsats amb combustibles fòssils.

Així que no funcionarà ràpidament. Mentrestant, els biocombustibles poden millorar el medi ambient en el sector de l'aviació. Ajuden a reduir les emissions de diòxid de carboni entre un 36 i un 85 per cent. Malgrat que les barreges de biocombustibles per a motors a reacció van ser certificades el 2009, la indústria de l'aviació no té pressa per implementar canvis. Hi ha poques barreres tecnològiques i reptes per portar la producció de biocombustibles a nivells industrials, però el principal factor limitant és el preu: calen deu anys més per aconseguir la paritat amb els combustibles fòssils.

Pas cap al futur

Al mateix temps, els laboratoris estan treballant en conceptes de motor d'avions una mica més futuristes. Fins ara, per exemple, un motor de plasma no sembla gaire realista, però no es pot descartar que els treballs científics es desenvolupin en alguna cosa interessant i útil. Els motors de plasma utilitzen electricitat per crear camps electromagnètics. Comprimeixen i exciten un gas, com l'aire o l'argó, en un plasma: un estat calent, dens i ionitzat. La seva investigació porta ara a la idea de llançar satèl·lits a l'espai exterior (propulsió iònica). Tanmateix, Berkant Göksel de la Universitat Tècnica de Berlín i el seu equip volen instal·lar motors de plasma a les aeronaus.

L'objectiu de la investigació és desenvolupar un motor de plasma que respira aire que es pugui utilitzar tant per a l'enlairament com per al vol a gran altitud. Els motors de reacció de plasma solen estar dissenyats per funcionar en una atmosfera de buit o de baixa pressió on es requereix un subministrament de gas. Tanmateix, l'equip d'Hoksel va provar un dispositiu que podia funcionar a l'aire a una pressió d'una atmosfera. "Els nostres broquets de plasma poden assolir velocitats de fins a 20 quilòmetres per segon", diu Goksel a la sèrie de conferències Journal of Physics.

Motor SABRE en un vehicle hipersònic del futur

Per començar, l'equip va provar propulsors en miniatura de 80 mil·límetres de llarg. Per a un avió petit, això seria fins a mil del que l'equip creu que és possible. La limitació més gran, per descomptat, és la manca de bateries lleugeres. Els científics també estan considerant avions híbrids, que combinarien propulsió de plasma amb motors de combustió interna o coets.

Quan parlem de conceptes innovadors de motor a reacció, no podem oblidar el motor SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) desenvolupat per Reaction Engines Limited. Es preveu que aquest sigui un motor que funcioni tant a l'atmosfera com al buit, alimentat per hidrogen líquid. En l'etapa inicial del vol, l'oxidant serà l'aire de l'atmosfera (com en els motors a reacció convencionals) i des d'una altitud de 26 km (on el vaixell assoleix una velocitat de 5 milions d'anys) - oxigen líquid. Després de canviar al mode coet, arribarà a velocitats de fins a 25 Mach.

HorizonX, el braç d'inversió de Boeing implicat en el projecte, encara no ha determinat com el podria utilitzar SABRE, a part que espera "utilitzar la tecnologia innovadora per ajudar Boeing en la seva recerca de vol supersònic".

Els motors ramjet i els motors scramjet (motors a reacció supersònics amb una cambra de combustió) fa temps que estan en llavis dels aficionats a l'aviació d'alta velocitat. Actualment, s'estan desenvolupant principalment amb finalitats militars. Tanmateix, com ensenya la història de l'aviació, el que es prova a l'exèrcit anirà a l'aviació civil. Tot el que cal és una mica de paciència.

Vídeo de Rolls Royce Intelligent Engine:

Rolls-Royce | Innovació en IntelligentEngine