En el futuro, los aviones propulsados por hidrógeno podrán volar por todo el mundo. Para que esto sea posible, los ingenieros deben desarrollar los motores a reacción que los impulsarán. Los experimentos de los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich proporcionan ahora las bases necesarias para que estos motores sean potentes y duraderos.
En resumen
- En los motores a reacción, la interacción de las llamas y el sonido generado por la combustión pueden provocar vibraciones.
- Estas vibraciones suponen una gran carga para los motores, por lo que los ingenieros hacen todo lo posible para evitarlas.
- Los investigadores de la ETH de Zúrich han hecho una importante contribución al desarrollo de motores de aviación de hidrógeno limpio: han probado el comportamiento acústico de las toberas de inyección de hidrógeno en el laboratorio en condiciones similares a las que prevalecen a la altitud de crucero.
Europa se prepara para un vuelo neutro desde el punto de vista climático impulsado por hidrógeno producido de forma sostenible. El año pasado, la UE puso en marcha un proyecto para apoyar a la industria y las universidades en el desarrollo de un avión de media distancia propulsado por hidrógeno. Entre otras cosas, habrá que adaptar los motores a reacción para que funcionen con el nuevo combustible. Los motores actuales están optimizados para quemar queroseno.
«El hidrógeno se quema mucho más rápido que el queroseno, lo que da lugar a llamas más compactas», explica Nicolas Noiray, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la ETH de Zúrich. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar motores de hidrógeno. Los experimentos del equipo de Noiray proporcionan ahora una base importante para ello. El equipo acaba de publicar sus resultados en la revistapágina externaCombustión y llama .
Un problema son las vibraciones, que los ingenieros intentan minimizar. En los motores a reacción típicos, alrededor de la cámara de combustión anular del motor se disponen unas veinte toberas de inyección de combustible. La combustión turbulenta del combustible allí genera ondas sonoras. Estas ondas se reflejan en las paredes de la cámara y tienen un efecto de retroalimentación sobre las llamas. Este acoplamiento entre la onda sonora y las llamas podría generar vibraciones que inducirían una gran carga en la cámara de combustión del motor. «Estas vibraciones pueden fatigar el material, lo que en el peor de los casos podría provocar grietas y daños», dice Abel Faure-Beaulieu, un ex investigador postdoctoral en el grupo de Noiray. «Por eso, cuando se desarrollan nuevos motores, se tiene cuidado de garantizar que estas vibraciones no se produzcan en condiciones de funcionamiento».
Simulación de condiciones a altitud de crucero
Cuando los ingenieros desarrollaron los motores de queroseno actuales, tuvieron que controlar estas vibraciones. Para ello, optimizaron la forma de las llamas, así como la geometría y la acústica de la cámara de combustión. Sin embargo, el tipo de combustible tiene una gran influencia en las interacciones entre el sonido y las llamas. Por ello, los ingenieros e investigadores deben asegurarse de que no se produzcan en un nuevo motor de hidrógeno. En una sofisticada instalación de pruebas y mediciones en la ETH de Zúrich, Noiray mide la acústica de las llamas de hidrógeno y predice posibles vibraciones. En el marco del proyecto europeo HYDEA, en el que participa junto con GE Aerospace, prueba las boquillas de inyección de hidrógeno producidas por la empresa.
«Nuestras instalaciones nos permiten reproducir las condiciones de temperatura y presión de un motor a altitud de crucero», explica Noiray. Los investigadores de la ETH también pueden recrear la acústica de varias cámaras de combustión, lo que permite una amplia gama de mediciones. «Nuestro estudio es el primero de este tipo en medir el comportamiento acústico de las llamas de hidrógeno en condiciones reales de vuelo».
En sus experimentos, los investigadores utilizaron una única boquilla y luego modelaron el comportamiento acústico del conjunto de boquillas tal como estarían dispuestas en un futuro motor de hidrógeno. El estudio está ayudando a los ingenieros de GE Aerospace a optimizar las boquillas de inyección y a allanar el camino hacia un motor de hidrógeno de alto rendimiento. En unos años, el motor debería estar listo para las pruebas iniciales en tierra y, en el futuro, podría propulsar los primeros aviones propulsados por hidrógeno.
El profesor Noiray de la ETH no considera que el desarrollo de motores o de tanques de hidrógeno para aviones sea el mayor desafío en la transición de la aviación a la era del hidrógeno. “La humanidad ha volado a la Luna; los ingenieros sin duda serán capaces de desarrollar aviones de hidrógeno”, afirma. Pero los aviones por sí solos no son suficientes. Otro gran desafío, dice Noiray, es poner en marcha toda la infraestructura para la aviación de hidrógeno, incluida la producción de hidrógeno neutro para el clima en cantidades suficientes y su transporte a los aeropuertos. Lograr esto en un plazo razonable requiere un esfuerzo concertado ahora.
¿Por qué hidrógeno para la aviación?
La mayoría de los vehículos terrestres pueden electrificarse con baterías, pero estas son demasiado pesadas para los aviones de alto rendimiento. Almacenar la energía necesaria para transportar a 200 pasajeros a lo largo de miles de kilómetros con hidrógeno en tanques criogénicos pesa al menos treinta veces menos que almacenarla en baterías. “En las próximas décadas, solo los aviones pequeños con una capacidad de carga útil muy baja funcionarán con baterías”, afirma el profesor Noiray de la ETH. “Para los aviones de pasajeros y de carga, los combustibles sintéticos son la única alternativa al queroseno actual, y el hidrógeno es el más económico de producir de forma sostenible”.
Dependiendo del tamaño y la autonomía del avión, existen dos posibles soluciones basadas en hidrógeno. Para los aviones regionales más pequeños, con velocidades de crucero bajas y alcances reducidos, el hidrógeno se puede convertir en electricidad en una pila de combustible a bordo, que impulsa las hélices mediante un motor eléctrico. Sin embargo, para los aviones comerciales de largo recorrido, las pilas de combustible no son adecuadas debido a su tamaño y peso. En el futuro, estos aviones serán propulsados por motores a reacción alimentados con hidrógeno. Varios consorcios industriales están trabajando actualmente en el desarrollo de dichos motores. ETH zürich News. Traducido al español
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