Propulsión electroaerodinámica EAD

Desde que los hermanos Wilbur y Orville Wright hicieron su primer vuelo, ya hace más de 100 años, hecho acaecido en Estados Unidos, en la población de Kitty Hawk, estado de Carolina del Norte, el 17 de diciembre de 1903, el diseño aerodinámico se ha desarrollado y avanzado de manera impresionante, pero al igual que esa época, prácticamente todos los aviones se siguen elevando al cielo con la ayuda de motores con partes móviles, como hélices, álabes de turbinas y compresores que producen un zumbido persistente y se sigue utilizando combustibles fósiles y generando emisiones de CO2.

En años recientes ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han estado trabajando hasta haber logrado construir y volar, el primer modelo a escala, impulsado sin partes móviles. En lugar de hélices o turbinas, la aeronave liviana es impulsada por un «viento iónico»: un flujo silencioso pero poderoso de iones que se produce bajo los planos de la aeronave, y que genera suficiente empuje para mantener el avión en un vuelo sostenido y constante.

A diferencia de los aviones propulsados por turbinas, el avión no depende de los combustibles fósiles para volar. Y a diferencia de la mayoría de los drones eléctricos, propulsados por hélices, el nuevo diseño es completamente silencioso.

“Este es el primer vuelo sostenido de un avión sin partes móviles en el sistema de propulsión”, dice Steven Barrett, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT. “Esto potencialmente ha abierto nuevas e inexploradas posibilidades para las aeronaves que son más silenciosas, mecánicamente más simples y no emiten emisiones de combustión”. Esperando que, a corto plazo, dichos sistemas de propulsión de viento iónico se puedan usar para volar drones menos ruidosos. Además, prevé la propulsión iónica junto con sistemas de combustión más convencionales para crear aviones de pasajeros híbridos más eficientes en combustible y de otras aeronaves de carga.

Barrett y su equipo en MIT han publicado sus resultados en la revista Nature. En ella explican que basándose en que el aire es un fluido, compuesto por 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y el 1% restante de otros gases. Y siendo el nitrógeno una molécula diatómica, conformada por dos átomos de nitrógeno, los cuales se mantienen unidos y conformada por electrones, estas moléculas pueden ser cargadas o ionizadas por una corriente de alto voltaje, para luego ser atraídos por polos cargados de forma opuesta.

Ahora déjenme explicarles de una manera más entendible y menos científica lo que han logrado los ingenieros del MIT.

Imagínense ustedes un electroimán que estando suspendido y cerca de un montón de virutas o partículas de hierro es energizado, enseguida las partículas metálicas se desplazan en el aire y se adhieren al electroimán. El electroimán no tiene que estar en contacto con las partículas, la distancia solo depende de la magnitud o fuerza del campo electromagnético, para que las partículas logren desplazarse en el aire hasta adherirse al electroimán.

Si otro electroimán es colocado cerca del primero y justo al desactivar este se energiza el segundo, usted podrá ver las partículas metálicas volando de un electroimán al otro.

Ahora pensemos en el aire y el nitrógeno, su mayor componente, como un fluido compuesto de moléculas o partículas. Estas pueden ser atraídas e ionizadas por una fuente de energía de altísimo voltaje, para ser luego atraídas por el campo magnético de un polo opuesto energizado, al momento que cese la energía en el primero. Tal como en el ejemplo de los electroimanes, se formaría un movimiento o corriente de partículas o moléculas de nitrógeno, donde a medida que la nube de iones recién formada fluye hacia los polos cargados negativamente sobre los bordes de ataque de los planos aerodinámico, cada ión choca millones de veces con otras moléculas de aire, creando un empuje que impulsa el avión hacia adelante. Esta misma corriente o fluido de partículas al paso sobre una superficie aerodinámica, como un perfil de ala, produce el mismo efecto aerodinámico de sustentación. Por eso a este fenómeno lo han dado por llamar “electroaerodinámico” pues se produce por el fluido de electrones ionizados por una corriente eléctrica. Donde la velocidad de la aeronave es controlada, no por el suministro de potencia, a base de combustible, a un motor o turbina, sino por la capacidad de suministro de energía y la velocidad con la cual se energizan alternadamente los polos opuestos.

Esta energía que a su vez es tomada por paneles solares, siendo almacenada en baterías recargables de ion lithiun de alto desempeño, en las futuras aeronaves hibridas, pueden ser cargadas por alternadores movidos por turbinas o motores, usados para la fase del despegue o aterrizaje, economizando combustible durante todo el vuelo de crucero.

Barrett dice que la inspiración para el avión iónico del equipo proviene en parte de la serie de películas y televisión Star Trek, que él veía con avidez cuando era niño. Se sintió especialmente atraído por los transportes futuristas que se deslizaban sin esfuerzo por el aire, aparentemente sin partes móviles y casi sin ruido ni escape. “Esto me hizo pensar que, en el futuro a largo plazo, los aviones no deberían tener hélices y turbinas”·, comenta Barrett. “Deberían ser más como los vehículos espaciales de Star Trek, que tienen solo un brillo azul y se deslizan en silencio”.

El diseño final de la aeronave modelo se parece a un planeador grande y liviano. El avión, que pesa alrededor de 5 libras y tiene una envergadura de 5 metros, lleva una serie de alambres delgados, que se disponen como cercas horizontales a lo largo y debajo del extremo delantero del ala del avión. Los cables actúan como electrodos cargados positivamente, mientras que los cables más gruesos, dispuestos de manera similar sobre planos aerodinámicos, se extienden por el extremo posterior del ala del avión y sirven como electrodos negativos. El fuselaje del avión contiene todo el sistema eléctrico y un banco de baterías de ion lithiun.

El equipo de “aviones de iones” de Barrett incluyó a miembros del grupo de investigación de potencia del profesor David Perreault en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, quienes diseñaron una fuente de alimentación que convertiría la salida de las baterías a un voltaje suficientemente alto para impulsar el avión. De esta manera, las baterías suministran electricidad a 40.000 voltios para cargar positivamente los cables a través de un convertidor de potencia liviano.

El equipo también incluyó al personal del Laboratorio Lincoln, Thomas Sebastian y Mark Woolston, quienes hicieron volar el avión en varios vuelos de prueba a través del gimnasio en el Centro Atlético duPont del MIT.

En muchas aplicaciones comerciales y de seguridad nacional, los objetivos son similares: la meta es la eficiencia y el silencio. Y si uno imagina un futuro en el que los drones llenen los cielos de nuestras ciudades, la importancia del silencio y la baja o ninguna emisión se hace más evidente.

Mirando hacia el futuro a más largo plazo, buscamos maneras de aminorar o casi eliminar, las emisiones directas de CO2, y de reducir significativamente el ruido de las aeronaves (desde aviones no tripulados hasta de aeronaves comerciales). El objetivo final será averiguar si los aviones eléctricos son la solución.