Göckçin Cinar (U. Michigan): “El avión regional, al ser más ligero, puede dar inicio al vuelo con baterías”

La aviación del futuro es una de las áreas de innovación más destacadas, interesantes y multidisciplinares. ¿Cuáles son tus principales líneas de trabajo en la Universidad de Michigan?

La aviación suele recibir críticas desproporcionadas o simplemente la ignoran. Hay que encontrar un punto intermedio, ser optimistas, pero también realistas, sobre lo que podemos y lo que debemos hacer en el futuro. Porque la aviación tiene plazos muy largos, lo que hagamos ahora no se verá reflejado en el mundo mañana ni dentro de cinco años, costará al menos una o dos décadas.

Básicamente, trabajamos en proyectos de investigación financiados por el Gobierno de EEUU y la industria para los futuros diseños de aeronaves. Si queremos lograr una eficiencia de combustible que conduzca a beneficios ambientales, pero también asegure la sostenibilidad económica, ¿qué tipo de tecnologías deberíamos usar en las aeronaves? Y esas tecnologías, ¿deberían ser lo suficientemente sustanciales como para cambiar la apariencia de la aeronave, cómo se comporta, cómo vuela?

Tenemos una amplia gama de proyectos de investigación en este momento en diferentes tecnologías radicales como el uso de baterías en aviones, el hidrógeno y otros combustibles. Principalmente estudiamos el sistema de propulsión, cómo podemos modificar el motor, porque de ahí provienen los mayores beneficios cuando comenzamos a hablar de eficiencia de combustible. Somos un laboratorio 100% computacional, hacemos mucho modelado, simulación de rendimiento y evolución ingeniería digital básicamente.

La transición hacia la aviación sostenible es realmente asombrosa, fascinante. Hay muchas industrias que convergen, pero ¿quién realmente influye a quién en este trabajo? ¿Quién gobierna el cambio?

No es unidireccional, hay mucha iteración. Siempre se ha buscado ser más eficiente, esto no es nuevo en la aviación, donde los márgenes de beneficio son pequeños. La investigación tecnológica en materiales o tecnologías de propulsión siempre ha estado presente. Pero diría que, en la última década, especialmente con el progreso de otros sectores, como los coches eléctricos, finalmente hemos visto la promesa de que estas tecnologías alcanzarán los niveles que la aviación necesita para su uso en aeronaves. Como diseñadores, comenzamos a decir: “la tecnología aún no está ahí, pero supongamos que sí lo estará. Averigüemos qué necesitamos de los tecnólogos para que tengan objetivos claros e ideas sobre, por ejemplo, cómo adoptar una batería en el avión”.

Empezó en ese punto, pero una vez vimos que existe la promesa de electrificar aeronaves en el futuro rápidamente se convirtió en algo iterativo. Los tecnólogos ahora nos están dando su opinión: esto es lo que podemos hacer y esto es lo que no. Necesitamos encontrar una solución y realizar la iteración. Es un problema multidisciplinario, no se trata solo del tecnólogo y los diseñadores de aeronaves. La infraestructura también necesita cambiar, incluido el ámbito energético: si optárasmos por las baterías, ¿de dónde obtendríamos la electricidad para cargarlas? ¿Está la red eléctrica preparada para ello? ¿Están las aerolíneas listas para adoptar un sistema tan radical que requerirá reentrenar a sus pilotos y a sus equipos de mantenimiento, etc.? Esos aspectos aún no se han resuelto, pero hay un impulso creciente.

¿Tienen los reguladores en Europa y Estados Unidos, que están empujando el cambio, una visión realista sobre lo que realmente podemos lograr con la innovación o simplemente están soñando con cosas que no son posibles?

Es el público el que desea un cambio, la opinión pública impulsa esas regulaciones. Los reguladores desempeñarán un papel fundamental para motivar a los fabricantes de fuselajes y motores a considerar estas nuevas tecnologías, ya que cada una de ellas conlleva sus propios riesgos y, en general, en la aviación, detestamos correr riesgos. Si nadie impulsa el cambio, sin esos reguladores, que dicen, por ejemplo, “voy a implementar impuestos al carbono” o “voy a prohibir los viajes aéreos de corta distancia” en algunas regiones, las aerolíneas no estarán motivadas para comprar estos nuevos aviones, ni los fabricantes de fuselajes para construirlos. Por lo tanto, es muy efectivo tener algún tipo de motivación y marcar objetivos ambiciosos.

Pero también es importante ser realista. En la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), estuve involucrada en un estudio de aviación sostenible y tuve la oportunidad de escuchar a representantes de diferentes países. En Europa hay un mayor impulso de la sostenibilidad y Airbus está investigando con el hidrógeno; pero EEUU tiene mucho suelo y, en lugar de hidrógeno, los combustibles de aviación sostenibles como los biofuels, podrían ser la solución.

¿Cuándo comenzarán a sentirse los efectos y cómo de lejos estaremos en 2050? La UE maneja la previsión de que a partir de 2035 la aviación comercial actual comenzará a desaparecer y a ser sustituida por la nueva.

Cuando comencé a trabajar en este tema hace más de una década, 2030 y 2035 parecían muy lejanos. Cuando lees esos informes, todos hablan de cero emisiones netas en 2050, que es una cifra redonda agradable y está bastante lejos. No sé si podremos llegar, pero es un buen objetivo porque, desde el diseño hasta la fabricación y la certificación, una nueva versión de un avión convencional tarda entre 10 y 15 años en estar lista. La tecnología debe estar disponible hoy para que se pueda construir en ese plazo. Cuando hablamos de una tecnología completamente nueva que aún no se ha probado en vuelo, el plazo se extiende un poco más, hasta los 25 años. Es mucho tiempo para muchas cosas, pero no para la aviación.

La empresa con la que estamos trabajando con financiación de la NASA se llama Electra. Tiene un turbogenerador y usa electricidad para volar la aeronave parcialmente, mientras que la energía restante proviene del motor convencional. Hoy están volando con su demostrador, pero es una aeronave pequeña, como una aerolínea general. Ya se están llevando a cabo numerosas actividades para probar la tecnología, podríamos ver una entrada inicial al mercado en la próxima década, aproximadamente, y a partir de ahí, simplemente las desarrollaremos.

Los dos grandes problemas actuales para la electrificación de los aviones son el almacenamiento de la batería y cómo aumentar la densidad de potencia.

Sí, los aviones son muy diferentes a los coches. Despegar del suelo requiere mucha potencia, que suele estar relacionada con el peso del sistema. Si el almacenamiento de energía es pesado, será más difícil volar. Ese es uno de los mayores problemas con las baterías hoy en día. Tenemos que ser inteligentes al respecto, no podemos tomar una batería con los estándares de la tecnología actual y ponerla en un avión del tamaño de un Boeing 737 o un Airbus A320. Ahí es donde entra el diseño y la optimización de sistemas y, básicamente, la búsqueda de formas inteligentes de usar las baterías no como una fuente primaria de energía, sino más bien como un refuerzo, de forma híbrida, no como reemplazo del combustible para aviones.

Si se ubica en lugares muy estratégicos, se puede lograr que el motor funcione de manera más eficiente en los momentos en los que se necesita mucha potencia durante un corto periodo de tiempo. Incluso aunque, una vez ascendido, el avión navegue solo con el motor, se puede ahorrar mucho combustible y eso está directamente relacionada con las emisiones de CO2.

Hay muchas otras opciones en la aviación. Por ejemplo, los sistemas de propulsión distribuida: generalmente en los aviones tenemos dos ventiladores, mientras que los sistemas distribuidos tienen cuatro, seis, 16. Sabíamos esto desde hace mucho tiempo, no es información nueva. Si se incrementa la entrada de aire del motor, sin aumentar el tamaño del núcleo del motor, aumenta la eficiencia. Pero hay un límite en cuanto al posible incremento de la entrada de aire, porque es una cuestión geométrica. Por ejemplo, en un Boeing 737 los motores están muy cerca del suelo, no hay mucho más espacio para una entrada de aire de mayor diámetro.

Si se usan varios ventiladores, puede aumentar esa área. El problema es que no podemos hacerlo con motores de turbina de gas, ya que se vuelven muy pesados y no son tan eficientes. Ahí tiene sentido pensar en motores eléctricos, que pueden ser pequeños y, aun así, muy eficientes. En ese modelo unimos muchos motores eléctricos que impulsan los ventiladores y, por lo general, un motor grande en algún lugar de la aeronave, la parte trasera, por ejemplo, que mediante un generador los alimenta. Así que ni siquiera se necesita una batería, puede ser un sistema turboeléctrico, algo que no vemos en los coches, por ejemplo.

Se habla de usar también el fuselaje como batería.

Esa es otra tecnología cuya eficacia aún no se ha demostrado. Si se usa el fuselaje para almacenar la batería, sería, obviamente, genial porque habría elementos multifuncionales en el avión, tanto estructurales como sistemas de almacenamiento de energía, pero aún no he visto ningún trabajo concreto al respecto.

El hidrógeno parece estar perdiendo esa posición de energía alternativa a los combustibles fósiles para la aviación.

Es difícil para el hidrógeno, pero no necesariamente imposible, en absoluto. Si hay suficiente inversión, todo es posible. El hidrógeno es muy complejo, ya que es lo opuesto a las baterías. Es muy ligero y ocupa mucho espacio, necesitamos reducir el volumen y, por eso, hablamos de licuarlo. Para ello, necesita ser criogénico y mantenerlo requiere mucha energía. Hay otros desafíos: el hidrógeno es un átomo tan pequeño que puede escapar por cualquier grieta invisible y provocar un problema de seguridad por el riesgo de incendio. Todos estos retos tienen solución porque son técnicos y la industria aeroespacial suele ser muy innovadora. Utilizamos hidrógeno criogénico en el lanzamiento de cohetes espaciales, así que ya existe amplia experiencia en ese ámbito.

En el laboratorio trabajáis, de hecho, con hidrógeno.

Sí, tenemos proyectos de investigación reactiva donde estamos considerando el uso de celdas de combustible de hidrógeno para generar electricidad, en lugar de baterías. El hidrógeno tiene otro problema muy complejo que es dónde se genera y cómo se transporta al aeropuerto. Es muy costoso producir hidrógeno verde, en estos momentos la mayor parte se genera a partir de metano.

Es posible que tecnológicamente podamos lograr los objetivos de los que estamos hablando, pero en términos de costes, ¿será realmente viable?

La respuesta honesta es que no sabemos cuáles serán los costes del ciclo de vida porque ver cómo lo podríamos hacer hoy no nos da la respuesta correcta, sino cuánto nos costará dentro de 20 años. Y eso depende de la disponibilidad del combustible, de la infraestructura y de si estamos realizando las inversiones adecuadas para alcanzar ese objetivo. Actualmente, el hidrógeno es mucho más caro que el combustible para aviones. Lo mismo ocurre con los SAF (sustainable aviation fuel). La principal razón de su alto coste es su menor uso, además del transporte y la generación, porque no se produce a gran escala. Ni siquiera tenemos suficiente para utilizarlo en las flotas de aviones actuales.

Si existiera esa inversión inicial y pudiéramos ampliarla, tal vez sería mucho más barato, pero es muy difícil predecir el futuro. Las inversiones dependen de si la tecnología será adoptada por la aviación, es como el problema del huevo y la gallina. No soy 100% pesimista, pero tampoco 100% optimista al respecto. Necesitamos analizar cada enfoque tecnológico con una visión de negocio para encontrar la tecnología ganadora. Aún no tenemos una respuesta definitiva a la pregunta: ¿cuál es el coste del ciclo de vida del hidrógeno?

Firmas un paper sobre la aviación regional, un segmento muy importante para el mercado europeo y norteamericano.

Nos interesa el mercado regional por diversas razones. En primer lugar, la mayoría de aerolíneas utilizan aviones de pasillo único. Los 737, con capacidad para 150 o 180 pasajeros, son los más populares del mundo y, por lo tanto, son responsables de la mayoría de las emisiones. Si las aerolíneas encuentran una manera de ahorrar costes en ellos, obtendrán grandes ganancias. Los aviones regionales son más pequeños, de 50 a 90 pasajeros y vuelan rutas más cortas, de 150 a 800 kilómetros. Son más ligeros, por lo tanto, pueden ser los primeros en adoptar estas tecnologías que dependen del peso del sistema, como las baterías. Podrían ser un paso intermedio para llegar al mercado de pasillo único, que es el gran objetivo.

Al menos en EEUU, la mayoría de aviones no vuelan las distancias para las que fueron diseñados, sino otras mucho más cortas. La mayoría de vuelos son de menos 1.100 kilómetros, aproximadamente. Ese mercado podría haber sido atendido por aviones regionales, pero se utilizan principalmente los de pasillo único. ¿Por qué? El sector responde: “Queremos el avión más grande, aunque consuma más combustible por pasajero-milla, nos da más flexibilidad”. Es un problema de optimización de horarios: si un avión de pasillo único tiene un problema y la aerolínea necesita encontrar otro en su flota, es más sencillo si apuesta por aviones de pasillo único que, además, le dan la opción del largo alcance.

Estamos considerando los vuelos regionales para comprender esa compensación. Qué pasaría si cambio algunos de esos aviones por un nuevo diseño de avión híbrido eléctrico. ¿Interrumpiré la red de la aerolínea? Porque no se trata solo de la autonomía, sino también de la necesidad de recargar la batería en la puerta de embarque, que requiere mucho más tiempo que repostar con combustible.