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Una nueva y poderosa batería podría darnos aviones eléctricos que no contaminen
Un truco de fabricación con campos magnéticos produce una batería que puede descargarse lo suficientemente rápido como para hacer despegar un avión. 30 de octubre de 2018
Simón Simard
Modelos moleculares de colores brillantes se alinean en dos paredes de la oficina de Yet-Ming Chiang en el MIT. Chiang, profesor de ciencia de los materiales y empresario de baterías en serie, ha dedicado gran parte de su carrera a estudiar cómo los arreglos ligeramente diferentes de esos palos y esferas se suman a resultados radicalmente diferentes en el almacenamiento de energía.
Pero él y su colega, Venkat Viswanatán , están adoptando un enfoque diferente para alcanzar su próximo objetivo, alterando no la composición de las baterías sino la alineación de los compuestos dentro de ellas. Al aplicar fuerzas magnéticas para enderezar el camino tortuoso que los iones de litio navegan a través de los electrodos, los científicos creen que podrían aumentar significativamente la velocidad a la que el dispositivo descarga electricidad.
Esa inyección de energía podría abrir un uso que ha eludido durante mucho tiempo a las baterías: satisfacer las enormes demandas de un avión de pasajeros en el despegue. Si funciona como se espera, permitiría vuelos de cercanías regionales que no queman combustible ni producen emisiones climáticas directas.
Viswanathan, profesor asistente de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon, inició y lidera el proyecto de investigación. Él y Chiang ahora están colaborando con 24M, el fabricante de baterías de iones de litio que Chiang cofundó en 2010, y Zunum Aero, una empresa emergente de aeronaves con sede en Bothell, Washington, para desarrollar y probar baterías prototipo diseñadas específicamente para las necesidades de un avión híbrido avanzado.
Venkat Viswanathan, profesor asistente de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon. Cortesía de la Universidad Carnegie Mellon
Altas estacas
Eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de los aviones es uno de los desafíos más difíciles en el rompecabezas climático. Los viajes aéreos representan alrededor del 2% de las emisiones globales de dióxido de carbono y son una de las fuentes de contaminación por gases de efecto invernadero de más rápido crecimiento.
Pero hoy en día no hay alternativas limpias para más que una pequeña parte de los viajes aéreos, porque las baterías que alimentan los autos eléctricos todavía son demasiado caras, pesadas y, por lo demás, poco adecuadas para la aviación.
Más de una docena de compañías, incluidas Uber, Airbus y Boeing, ya están explorando el potencial de electrificar aviones pequeños, creando el equivalente a taxis voladores que pueden cubrir alrededor de 100 millas (161 kilómetros) con una carga. La esperanza es que estos vehículos de uno o dos pasajeros, en la mayoría de los casos concebidos como aeronaves autónomas de despegue y aterrizaje vertical, puedan acortar los viajes, aliviar la congestión y reducir las emisiones de los vehículos. Pero estos reemplazarían en gran medida los viajes en automóvil para los ricos, no desplazarían los viajes aéreos.
Viswanathan y Chiang apuntan más alto. El plan inicial es desarrollar una batería que pueda impulsar un avión de 12 personas con 400 millas (644 kilómetros) de alcance, suficiente para hacer viajes, digamos, de San Francisco a Los Ángeles o de Nueva York a Washington. En una segunda fase, esperan habilitar un avión eléctrico capaz de transportar a 50 personas la misma distancia.
Dichos aviones aún estarían equipados con un motor de combustión y transportarían combustible. Pero el combustible estaría en gran parte a bordo para cumplir con el requisito de seguridad de la Administración Federal de Aviación de EE. UU., que ordena a las aeronaves que lleven suficiente para aterrizar en un aeropuerto a 200 millas (322 kilómetros) del destino previsto. En un vuelo normal, los aviones no deberían tener que utilizar ese combustible.
Simón Simard
Aerotransportado
El atractivo del proyecto para una startup como Zunum es obvio: cuanto mejor sean las baterías para satisfacer las necesidades de los aviones, más grande será el mercado que los aviones híbridos o eléctricos puedan abordar.
El año pasado, la empresa Anunciado planea entregar una línea de aviones híbridos a eléctricos con espacio para 12 pasajeros en 2022.
En el lanzamiento, la compañía tiene la intención de ofrecer un avión híbrido con una turbina de gas y dos paquetes de baterías capaz de volar alrededor de 700 millas (1127 kilómetros), así como una versión totalmente eléctrica con tres paquetes de baterías y un alcance de menos de 200 millas. . (A diferencia de los aviones que Viswanathan y Chiang tienen en mente, el modelo híbrido se basaría en gran medida en el combustible a bordo). ellos para actualizar a mejores baterías desarrolladas en el futuro o cambiar de operación híbrida a totalmente eléctrica.
Zunum ha obtenido capital de Boeing, JetBlue y el Fondo de Energía Limpia del Estado de Washington. JetSuite, una compañía de vuelos chárter con sede en Dallas, acordó comprar hasta 100 de los aviones. Otras nuevas empresas, incluidas Eviation Aircraft y Wright Electric, también están trabajando para desarrollar pequeños aviones eléctricos para vuelos de cercanías.
Este clip muestra lo que sucede cuando se aplican fuerzas magnéticas a microvarillas magnéticas mezcladas con materiales de electrodos. Cortesía del investigador del MIT Jonathan Sander
Los aviones rara vez se utilizan para viajes regionales, lo que representa menos del 1% de los viajes de menos de 500 millas, según la Oficina de Estadísticas de Transporte de EE. UU. . Las aerolíneas se han alejado de los vuelos más cortos en gran parte porque la mayor parte del combustible se quema durante el despegue, lo que significa que las rutas más largas son mucho más económicas. Y dados los altos costos y las molestias de volar, los consumidores optan en gran medida por automóviles, trenes o autobuses en lugar de esta gama de viajes.
El director ejecutivo de Zunum, Ashish Kumar, anteriormente ejecutivo de Microsoft y Google, cree que los aviones híbridos podrían cambiar estos hábitos, en gran parte al reducir el costo del combustible y, a su vez, las tarifas. En la mayor parte del mundo, podría duplicar sus millas aéreas nacionales a medida que las personas salen de la autopista y toman aviones más rápidos, dice.
Simón Simard
A medida que mejoran las baterías, los aviones híbridos y eléctricos también pueden reducir una parte mucho mayor del transporte aéreo. Para 2035, espera Kumar, los aviones híbridos podrán alcanzar distancias de hasta 1500 millas (2414 kilómetros), momento en el que los viajes aéreos representan 82% de viajes, según la BTS.
Una batería codiciosa
Durante una reunión en la oficina de Chiang a principios de septiembre, Viswanathan subrayó los desafíos de electrificar la aviación al mostrar un gráfico que muestra el perfil de descarga de un paquete de baterías a lo largo de una ruta de vuelo. Es una pared alpina en los primeros minutos de vuelo. Luego cae dramáticamente a una meseta larga y plana cuando el avión alcanza la altitud de crucero.
En otras palabras, una batería debe ser capaz de entregar una gran cantidad de energía en el despegue y tener suficiente densidad de energía para recorrer al menos cientos de millas. Pero para trabajar dentro de los límites de la física y la economía de los aviones, también debe ser lo más duradero y liviano posible, y capaz de cargarse rápidamente, o al menos, como planea Zunum, capaz de cambiarse fácilmente por una batería completamente cargada. entre vuelos.
Viswanathan señala que un paquete de baterías estilo Tesla estándar puede marcar las dos primeras casillas. Pero el despegue sería como conducir un Model S en modo ridículo durante cuatro minutos en lugar de unos pocos segundos, generando una enorme cantidad de calor.
Freirías la batería, dice.
Eso acortaría radicalmente la vida útil de los paquetes de baterías muy costosos.
Este clip muestra lo que sucede cuando se aplican fuerzas magnéticas a gotas magnéticas mezcladas con materiales de electrodos. Cortesía del investigador del MIT Jonathan Sander
Lograr que las baterías de iones de litio se descarguen a un ritmo lo suficientemente rápido para las aeronaves requiere facilitar el flujo de iones y electrones a través de la batería, particularmente los electrodos. Una opción es hacer que los materiales de los electrodos sean más porosos o más delgados, pero cualquiera de esos cambios tendría un alto costo para la densidad de energía.
Entonces, en cambio, los investigadores están explorando formas de enderezar los caminos retorcidos a través de compuestos de cobalto, carbono y otros materiales en los electrodos.
Como en muchas ilusiones mágicas, el truco se basa en imanes.
en un 2016 papel en Energía de la naturaleza , Chiang, el investigador del MIT Jonathan Sander y sus colegas demostraron que mezclar nanopartículas magnéticas en los materiales de los electrodos y aplicar un campo magnético ligero ayudó a crear vías alineadas a través de los electrodos.
Las pruebas posteriores encontraron que la capacidad de descarga de estos electrodos, o la velocidad a la que los electrones pueden viajar fuera de la batería, era más del doble que las baterías de iones de litio convencionales, sin sacrificar la densidad de energía.
Está abriendo una dirección completamente nueva en lo que podemos obtener de las baterías para la aviación eléctrica, dijo Chiang.
Los investigadores ahora están trabajando con 24M en Cambridge, Massachusetts, donde Chiang también se desempeña como científico jefe, para desarrollar y probar baterías prototipo utilizando este enfoque magnético. Si todo va bien, Zunum trabajará con los investigadores para evaluar los prototipos en lo que se conoce como pruebas de pájaros de cobre, en las que todos los sistemas eléctricos del avión se evalúan en tierra. Eventualmente, también podrían probarse en vuelos reales.
Simón Simard
solo el comienzo
Hasta que las baterías se creen y evalúen realmente, queda por ver qué tan bien funcionará realmente este enfoque. E incluso en el mejor de los casos, el campo probablemente aún esté a décadas de distancia de electrificar más de una fracción de las millas aéreas totales.
Richard Anderson, ingeniero aeroespacial y director del Centro de Investigación Eagle Flight de la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle, señala que las baterías son al menos 20 veces más pesadas que el combustible para una determinada cantidad de energía. Se muestra escéptico de que las empresas que buscan vuelos híbridos para pasajeros, como Zunum, puedan encontrar suficientes formas de compensar ese peso adicional en los próximos años. También cree que el campo está sobreestimando la rapidez con la que los aviones híbridos podrán alcanzar distancias más largas, al tiempo que subestima los desafíos regulatorios que enfrentarán.
Los propios investigadores del MIT y Carnegie se apresuran a decir que aún se requerirán otras grandes mejoras en la batería para ampliar el alcance de los aviones eléctricos, lo que puede requerir un cambio a químicas completamente diferentes. Además de eso, los aviones probablemente necesitarán ser rediseñados fundamentalmente para reducir las demandas de energía, posiblemente redistribuyendo los motores o cambiando la forma del cuerpo para reducir la resistencia, dice Viswanathan.
Pero él y Chiang están trabajando para desarrollar una capacidad técnica que sería necesaria independientemente de cualquier otro avance. Incluso si otros ingenieros de baterías encuentran formas de hacer que los aviones eléctricos vuelen mil millas, aún necesitarán suficiente energía para despegar.
Este artículo ha sido actualizado para aclarar las funciones de los investigadores.