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2021-01-18El concepto de un avión híbrido-eléctrico puede reducir el problema de contaminación del aire de la aviación

MIT |El diseño propuesto podría reducir las emisiones de óxido de nitrógeno en un 95 por ciento, encuentra un nuevo estudio.

A una altitud de crucero, los aviones emiten un flujo constante de óxidos de nitrógeno a la atmósfera, donde los productos químicos pueden permanecer para producir ozono y partículas finas. Los óxidos de nitrógeno, o NOx, son una fuente importante de contaminación del aire y se han asociado con asma, enfermedades respiratorias y trastornos cardiovasculares. Investigaciones anteriores han demostrado que la generación de estos productos químicos debido a la aviación mundial da como resultado 16.000 muertes prematuras cada año.

Ahora los ingenieros del MIT han ideado un concepto para la propulsión de aviones que estiman que eliminaría el 95 por ciento de las emisiones de NOx de la aviación y, por lo tanto, reduciría el número de muertes prematuras asociadas en un 92 por ciento.

El concepto está inspirado en los sistemas de control de emisiones utilizados en los vehículos de transporte terrestre. En la actualidad, muchos camiones diesel de servicio pesado albergan sistemas de control de emisiones posteriores a la combustión para reducir el NOx generado por los motores. Los investigadores ahora proponen un diseño similar para la aviación, con un toque eléctrico.

Los aviones de hoy son propulsados ​​por motores a reacción anclados debajo de cada ala. Cada motor alberga una turbina de gas que impulsa una hélice para mover el avión a través del aire mientras los gases de escape de la turbina fluyen hacia atrás. Debido a esta configuración, no ha sido posible utilizar dispositivos de control de emisiones, ya que interferirían con el empuje producido por los motores.

En el nuevo diseño híbrido-eléctrico, o "turbo-eléctrico", la fuente de energía de un avión seguiría siendo una turbina de gas convencional, pero estaría integrada dentro de la bodega de carga del avión. En lugar de alimentar directamente hélices o ventiladores, la turbina de gas accionaría un generador, también en la bodega, para producir electricidad, que luego alimentaría eléctricamente las hélices o ventiladores montados en las alas del avión. Las emisiones producidas por la turbina de gas se alimentarían a un sistema de control de emisiones, muy similar a los de los vehículos diésel, que limpiaría el escape antes de expulsarlo a la atmósfera.

"Esto todavía sería un tremendo desafío de ingeniería, pero no hay limitaciones físicas fundamentales", dice Steven Barrett, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Si desea llegar a un sector de aviación neto cero, esta es una forma potencial de resolver la parte de la contaminación del aire, que es importante y de una manera que es tecnológicamente bastante viable".

Los detalles del diseño, incluidos los análisis de su posible costo de combustible e impactos en la salud, se publican hoy en la revista Energy and Environmental Science. Los coautores del artículo son Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham y Jayant Sabnins, todos miembros del Laboratorio de Aviación y Medio Ambiente del MIT.

Un plan semi-electrificado

Las semillas para el avión híbrido-eléctrico del equipo surgieron del trabajo de Barrett y de su equipo en la investigación del escándalo de emisiones diésel de Volkswagen. En 2015, los reguladores ambientales descubrieron que el fabricante de automóviles había estado manipulando intencionalmente motores diesel para activar los sistemas de control de emisiones a bordo solo durante las pruebas de laboratorio, de modo que parecían cumplir con los estándares de emisiones de NOx, pero de hecho emitían hasta 40 veces más NOx en realidad. condiciones de conducción mundiales.

Mientras analizaba los impactos en la salud del engaño de las emisiones, Barrett también se familiarizó con los sistemas de control de emisiones de los vehículos diésel en general. Casi al mismo tiempo, también estaba estudiando la posibilidad de diseñar grandes aviones totalmente eléctricos.

"La investigación que se ha realizado en los últimos años muestra que probablemente podría electrificar aviones más pequeños, pero para aviones grandes, no sucederá pronto sin grandes avances en la tecnología de baterías", dice Barrett. “Así que pensé, tal vez podamos tomar la parte de propulsión eléctrica de los aviones eléctricos y las turbinas de gas que han existido durante mucho tiempo y son súper confiables y muy eficientes, y combinar eso con la tecnología de control de emisiones que se usa en la industria automotriz. y energía terrestre, para al menos habilitar aviones semielectrificados ”.

Volando sin impacto

Antes de que se considerara seriamente la electrificación de los aviones, podría haber sido posible implementar un concepto como este, por ejemplo, como complemento a la parte trasera de los motores a reacción. Pero este diseño, señala Barrett, "mataría cualquier corriente de empuje" que produciría un motor a reacción, conectando efectivamente a tierra el diseño.

El concepto de Barrett evita esta limitación al separar las hélices o ventiladores que producen el empuje de la turbina de gas que genera energía. En cambio, las hélices o ventiladores serían alimentados directamente por un generador eléctrico, que a su vez sería impulsado por la turbina de gas. El escape de la turbina de gas se introduciría en un sistema de control de emisiones, que podría plegarse, en forma de acordeón, en la bodega de carga del avión, completamente aislado de las hélices que producen el empuje.

Él prevé que la mayor parte del sistema eléctrico híbrido (turbina de gas, generador eléctrico y sistema de control de emisiones) cabría dentro del vientre de un avión, donde puede haber un amplio espacio en muchos aviones comerciales.

En su nuevo artículo, los investigadores calculan que si se implementara un sistema eléctrico híbrido de este tipo en un avión Boeing 737 o tipo Airbus A320, el peso adicional requeriría aproximadamente un 0,6 por ciento más de combustible para volar el avión.

"Esto sería muchas, muchas veces más factible de lo que se ha propuesto para los aviones totalmente eléctricos", dice Barrett. "Este diseño agregaría algunos cientos de kilogramos a un avión, en lugar de agregar muchas toneladas de baterías, lo que supondría una magnitud de peso extra".

Los investigadores también calcularon las emisiones que produciría una gran aeronave, con y sin un sistema de control de emisiones, y encontraron que el diseño híbrido-eléctrico eliminaría el 95 por ciento de las emisiones de NOx.

Si este sistema se implementara en todas las aeronaves del mundo, estiman además que se evitaría el 92 por ciento de las muertes relacionadas con la contaminación debido a la aviación. Llegaron a esta estimación utilizando un modelo global para mapear el flujo de emisiones de la aviación a través de la atmósfera, y calcularon cuánto estarían expuestas a estas emisiones diversas poblaciones de todo el mundo. Luego convirtieron estas exposiciones en mortalidad o estimaciones de la cantidad de personas que morirían como resultado de la exposición a las emisiones de la aviación.

El equipo ahora está trabajando en diseños para un avión de “impacto cero” que vuela sin emitir NOx y otros químicos como el dióxido de carbono que altera el clima.

“Necesitamos llegar esencialmente a cero impactos climáticos netos y cero muertes por contaminación del aire”, dice Barrett. “Este diseño actual eliminaría efectivamente el problema de contaminación del aire de la aviación. Ahora estamos trabajando en la parte del impacto climático ".

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MIT

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