El avión sin hélices ni turbinas que no necesita combustible
Investigadores de EE UU vuelan por primera vez una aeronave con propulsión iónica y sin partes móviles
ISABEL RUBIO
Reconstrucción del avión con propulsión iónica desarrollado por el MIT. En vídeo, la explicación del innovador sistema. FOTO: S. B./MIT | VÍDEO: EPV
Desde el primer vuelo de un avión hace más de 100 años, la mayoría de aeronaves han sido propulsadas usando partes móviles como hélices o turbinas y combustibles fósiles. Pero con el auge de los transportes eléctricos, cada vez más expertos y empresas del sector de la aeronáutica prestan atención a nuevos modelos. Entre ellos, un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que ha conseguido volar por primera vez un avión sin partes móviles utilizando la propulsión iónica, que es silenciosa y permite volar aviones sin combustible convencional.
Los investigadores han diseñado un avión de cinco metros que pesa dos kilogramos y medio y contiene una pila de baterías y un convertidor de potencia de alto voltaje que puede producir alrededor de 500 vatios. La aeronave ha volado con éxito en 10 ocasiones 60 metros en un espacio interior con una altitud promedio de vuelo de medio metro y una velocidad de 4,8 metros por segundo. Los resultados de esta investigación, publicada este miércoles en la revista científica Nature, muestran que el vuelo constante de una aeronave no tripulada con viento iónico es sostenible. Steven Barrett, uno de los autores del estudio, asegura a EL PAÍS que este hallazgo abre vías de investigación para el desarrollo de sistemas de propulsión mejorados y el diseño de nuevos aviones.
“La propulsión iónica consiste en acelerar iones positivos, es decir, partículas con carga eléctrica positiva, a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Por el principio de acción y reacción [la tercera ley de Newton], la fuerza que actúa sobre el acelerador es la misma que la que reciben los iones, pero de sentido opuesto”, explica Oriol Lizandra, profesor de mecánica de vuelo y propulsión de la Universidad Politécnica de Cataluña.
En la década de 1960, algunos estudios sugerían que la propulsión iónica no sería posible en aviones. Demostraron que solo alrededor del 1% de la energía eléctrica de entrada se usaba en la propulsión, frente al 2.6% reportado por los investigadores. Pese a que este es también un porcentaje bajo, hay algunos factores que hacen reseñable esta investigación, según sostiene el científico de la Universidad de Toulouse (Francia) Franck Plouraboué, que ha escrito un artículo adjunto al estudio en Nature.
Imagen compuesta del vuelo del avión del MIT. MIT
En primer lugar, la eficiencia energética mejora sustancialmente cuando aumenta la velocidad de la aeronave. “Además, muchos estudios han demostrado que el viento iónico puede mejorar la aerodinámica de las alas planas”, declara Plouraboué. Para Barrett, un punto fuerte es que el tipo de propulsión utilizada es muy silenciosa, ya que el avión no tiene partes móviles: “Esto puede conllevar que los drones que se encuentran en el entorno urbano podrían ser mucho más silenciosos”.
Pero para Manuel Martínez Sánchez, profesor emérito del MIT en el departamento de Aeronáutica y Astronáutica, la ausencia de ruido “es común a cualquier sistema eléctrico, como puede ser una hélice movida por un motor eléctrico”. Las desventajas de este tipo de propulsión, según el profesor, son “la ineficiencia, que parece inevitable dado que hay que ionizar el aire; la generación de ozono por la descarga; y la presencia de voltajes altos a bordo”.
¿Cómo podría cambiar el sector aéreo con este tipo de aeronaves en unos años? Los propios investigadores advierten de la probabilidad de que este sistema no pueda competir con los métodos tradicionales. “Un problema potencial es si podemos producir suficiente empuje en un volumen lo suficientemente pequeño como para permitir que los aviones más grandes y pesados sean impulsados por este tipo de propulsión”, afirma el autor. A día de hoy, sólo puede plantearse el uso de propulsión iónica en drones pequeños y con poco peso, según afirma Lizandra.
Barrett reconoce que el prototipo aún no es útil en la práctica y señala que por el momento no se sabe si un avión propulsado por viento iónico podría transportar, por ejemplo, a personas: “Si esto fuera posible, ocurriría en décadas”. A partir de ahora, considera importante realizar estudios para mejorar la eficiencia de este sistema y cuantificar la cantidad de ozono que podría producir “por si fuera un problema”.
Auge de aviones eléctricos
“La principal ventaja de los aviones de propulsión eléctrica es la reducción de emisiones contaminantes en las capas altas de la troposfera”, sostiene el ingeniero aeronáutico Alejandro Herrera, que es miembro del grupo de expertos en aviación comercial del Colegio Oficial de Ingenieros Aeronáuticos de España. Herrera subraya que uno de los retos clave al que se enfrentan los expertos del sector es cómo garantizar la disponibilidad de potencia eléctrica suficiente a bordo. “De hecho, las primeras aeronaves de propulsión eléctrica que se comercializaron y certificaron fueron planeadores, que contaban con un pequeño motor eléctrico que usaban únicamente para su autolanzamiento, por lo que no tienen el problema el abastecimiento eléctrico continuado en vuelo”, explica.
Cada vez hay más fabricantes como Boeing y Airbus que apuestan por el desarrollo de aeronaves de propulsión eléctrica. El ingeniero aeronáutico afirma que “en 2017 fueron anunciados más proyectos de aviación eléctrica que en los nueve años precedentes”. “La propulsión eléctrica convencional [motor que hace girar una hélice] está a día de hoy en pleno auge. Los principales constructores están trabajando en diseños de aviones propulsados por motores eléctricos impulsando un ventilador dentro de un conducto. Esto posibilitaría velocidades de crucero bastante elevadas, pero todavía por debajo de las que se consiguen con motores de turborreacción actuales”, sostiene Lizandra.
Las capacidades de almacenamiento de energía eléctrica son limitadas, por lo que el profesor de la Universidad Politécnica de Cataluña defiende que la opción más interesante a medio plazo es un sistema híbrido: “Motores eléctricos ayudados por turbinas de gas que los complementen, proporcionando la potencia mecánica requerida en determinadas fases de vuelo”.
UNA PROPULSIÓN ESPACIAL
La propulsión iónica lleva varias décadas aplicándose en propulsores para vehículos espaciales como satélites, según explica Lizandra. Pero la técnica que ahora se propone para aviones difiere a la utilizada en propulsores para naves espaciales. El profesor de mecánica de vuelo y propulsión señala que un vehículo espacial no requiere un empuje —fuerza propulsora— demasiado elevado, porque en el espacio la resistencia aerodinámica a vencer es muy baja o nula. En cambio, los aviones se desplazan a través de la atmósfera, “donde la densidad del aire es considerable y, en consecuencia, la resistencia aerodinámica, también”. Por lo tanto, asegura que el empuje requerido sería mucho mayor en el caso de un avión.
En segundo lugar, subraya que el uso de la propulsión iónica en aviones no implicaría llevar a bordo ningún propulsante almacenado, sino que cogería el propio aire atmosférico para ionizarlo y acelerarlo. “En este caso no se requeriría una cámara de ionización como tal, sino que electrodos fliformes, con una diferencia de potencial de varias decenas de kilovoltios, ionizarían el aire además de acelerar los iones producidos”, explica.
Fuente: https://elpais.com/elpais/2018/11/21/ciencia/1542804258_207342.html
Llega el avión de propulsión de iones: es el mayor avance en aviación en más de un siglo
Un equipo del MIT logra levantar del suelo una aeronave sin motor y sin combustible. Es inevitable que vengan a la mente imágenes de 'La Guerra de las Galaxias' o 'Star Trek'
Investigadores llevan tiempo desarrollando motores de iones como el de la foto. El MIT ha logrado ahora un nuevo avance en este frente. (Foto: AIAA)
ANTONIO VILLARREAL
¿Algo nuevo, finalmente, bajo el sol? En 1904, la revista 'Nature' anunció en un pequeño breve el logro de dos hermanos, Orville y Wilbur Wright, que consiguieron que un artefacto que lanzaron colina abajo en Carolina del Norte se elevara del suelo durante doce segundos. Se trató del "primer logro exitoso de vuelo artificial". Hoy, 115 años más tarde, la revista británica vuelve a traer la noticia de un avance sensacional en el campo de la aviación.
Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) informan del vuelo exitoso, durante nueve segundos, de un pequeño aeroplano propulsado por un motor de iones. Desde los hermanos Wright, todos los modelos de avión que surcan los cielos necesitan un motor con partes móviles. Pero esta aeronave experimental no requiere de motor ni de combustión. De momento sólo es capaz de volar a 47 centímetros del suelo, pero como dice 'Nature' en un editorial: "Cualquiera que vea volar a la máquina puede vislumbrar un futuro con aeronaves más limpias y silenciosas".
El avión con propulsión de iones del MIT (Steve Barrett)
Históricamente, los aviones han sido propulsados por motores con componentes móviles (como hélices o turbinas) propulsados por combustibles fósiles. Crear una propulsión empleando fuerzas eléctricas para crear una corriente de iones se propuso hace años como una forma alternativa de volar, pero hasta ahora nunca un avión se había elevado utilizando un dispositivo electroaerodinámico.
Explicado de forma sencilla, lo que hace este dispositivo es usar un campo eléctrico para acelerar los iones en un fluido, formando un viento iónico.
Steven Barrett, profesor de aeronáutica en el MIT, y sus compañeros han logrado que el pequeño avión de ala fija que diseñaron volara exitosamente 60 metros. El modelo piloto pesa 2,45 kilos y funciona con unas baterías y un transformador de alto voltaje capaz de producir 500 vatios.
Time-lapse del vuelo del avión de iones (Steve Barrett)
"Hemos demostrado que las limitaciones comúnmente aceptadas entre la relación de empuje y potencia y densidad de empuje, que hasta ahora se pensaba hacían de la electroaerodinámica un método inviable para propulsar un avión, son superables", afirman los investigadores.
Así es el avión con propulsión a iones (Nature)
En efecto, la relación entre empuje y potencia del nuevo avión resulta ser análoga a los sistemas de propulsión convencionales, aunque de momento su eficiencia es mucho menor. ¿Es esto un escollo?
"La eficiencia energética mejora sustancialmente cuando la velocidad de la aeronave aumenta, por ejemplo si alcanza los 300 m/s la eficiencia puede ser un 50% más alta", dice al respecto Franck Plourablué, investigador en el Instituto de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Toulouse, que ve posibilidades para el sistema. "¿Puede la propulsión de viento iónico hacer volar a un avión de varias toneladas? La discusión práctica está aún abierta, pero las predicciones sugieren que aeronaves como el Solar Impulse 2podrían sostener un nivel estable de vuelo usando solo el viento de iones".
El avión Solar Impulse 2 (EC)
De momento, este avión piloto sólo alcanza los 4,8 metros por segundo, pero la apuesta por la propulsión iónica parece sólida. ¿Significa esto que pronto tendremos más noticias? Como dicen en 'Nature', las "predicciones sobre el futuro del vuelo son peligrosas". Puede que este nuevo tipo de propulsión nunca llegue a hacer despegar un avión comercial pero ayude a que los actuales sean mucho más silenciosos o emitan menos gases de efecto invernadero. Lo que sí está claro es que una tecnología durante mucho tiempo olvidada volverá, sin duda a ser explorada.
No todas sus posibles aplicaciones son esperanzadoras. Los expertos señalan una inmediata investigación para su uso militar: drones silenciosos o motores que, al no emitir señal infrarroja, serían imposibles de detectar.
Fuente: https://www.elconfidencial.com/tecnologia/ciencia/2018-11-21/avion-ionico-futuro-estado-solido-nature_1659546/
