Motor eléctrico del MIT podría ayudar a electrificar la aviación. Para electrificar jets más grandes y pesados, como aviones comerciales, se requieren motores a escala de megavatios. Estos necesitarían sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos. En los que una máquina eléctrica está acoplada con un motor aeronáutico de turbina de gas.
Para satisfacer esta necesidad, un equipo de ingenieros del MIT está creando un motor de 1 megavatio que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. El equipo ya ha diseñado y probado los principales componentes del motor. Y ha demostrado mediante cálculos detallados que los componentes acoplados pueden funcionar como un todo para generar un megavatio de potencia. Con un peso y un tamaño competitivos con los pequeños motores aeronáuticos actuales.
Motor combinado
Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una celda de combustible. El motor podría entonces convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turboventilador tradicional. Así funcionaría como un sistema de propulsión híbrido, aportando propulsión eléctrica durante ciertas fases de un vuelo.
“No importa lo que usemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible). Independientemente de todo eso, los motores de megavatios serán un factor clave para la ecologización de la aviación”. Esto lo dice Zoltan Spakovszky, profesor de T. Wilson. en Aeronáutica y el Director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT, quien lidera el proyecto.
Spakovszky y los miembros de su equipo, junto con algunos colaboradores de la industria, presentarán su trabajo en una sesión especial del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica – Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) en la conferencia de Aviación en junio.
El equipo del MIT está compuesto por profesores, estudiantes y personal de investigación de GTL y el Laboratorio de Sistemas Electrónicos y Electromagnéticos del MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang, David Otten, David Perreault y Mohammad Qasim, junto con Marc Amato de Innova-Logic LLC. El proyecto está patrocinado por Mitsubishi Heavy Industries (MHI). Motor eléctrico del MIT podría ayudar a electrificar la aviación.
Material pesado
Para evitar los peores impactos del cambio climático inducido por el hombre, los científicos han determinado que las emisiones globales de dióxido de carbono deben llegar a cero neto para 2050. Cumplir este objetivo para la aviación, dice Spakovszky, requerirá «logros de cambio radical» en el diseño de aviones no convencionales.
Los aviones, los sistemas de combustible inteligentes y flexibles, los materiales avanzados y la propulsión electrificada segura y eficiente. Varias empresas aeroespaciales se centran en la propulsión electrificada y el diseño de máquinas eléctricas a escala de megavatios que son lo suficientemente potentes y ligeras para propulsar aviones de pasajeros.
“No existe una ‘receta mágica’ para conseguirlo y los detalles son esenciales”, dice Spakovszky. “Esto es ingeniería dura, en términos de co-optimizar componentes individuales y hacerlos compatibles entre sí mientras se maximiza el rendimiento general. Hacer esto significa que tenemos que superar los límites en materiales, fabricación, gestión térmica, estructuras y rotor-dinámica y electrónica de potencia”.
En términos generales, un motor eléctrico utiliza fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos, como los que alimentan el ventilador de su PC portátil, usan energía eléctrica (de una batería o fuente de alimentación) para generar un campo magnético, generalmente a través de bobinas de cobre. En respuesta, un imán colocado cerca de las bobinas gira en la dirección del campo generado. Y puede impulsar un ventilador o una hélice. Motor eléctrico del MIT podría ayudar a electrificar la aviación.
Más grande, más peso
Las máquinas eléctricas existen desde hace más de 150 años, con el entendimiento de que, cuanto más grande es el aparato o vehículo, mayores deben ser las bobinas de cobre y el rotor magnético. Lo que hace que la máquina sea más pesada. Cuanta más energía genera la máquina eléctrica, más calor produce.
Y ello requiere elementos adicionales para mantener los componentes fríos. Todo lo cual puede ocupar espacio y agregar un peso significativo al sistema. Ello lo convierte en un desafío para las aplicaciones de aviones. “Las cosas pesadas no van en los aviones”, dice Spakovszky. “Así que tuvimos que idear una arquitectura compacta, liviana y poderosa”.
Buena trayectoria
Según su diseño, el motor eléctrico y los componentes electrónicos de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada que pesa menos que un pasajero adulto. Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una matriz de imanes con orientación variable de polaridad. Más un estator compacto de baja pérdida que encaja dentro del rotor y contiene una intrincada serie de bobinados de cobre.
Además de un intercambiador de calor avanzado que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina. Y un sistema de electrónica de potencia distribuida, fabricado con 30 tableros de circuitos hechos a la medida, que cambian con precisión las corrientes que pasan por cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.
“Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente cooptimizado”, dice Spakovszky. “Lo que significa que hicimos una exploración espacial de diseño muy extensa. Donde todas las consideraciones, desde la gestión térmica hasta la dinámica del rotor, la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, se evaluaron de manera integrada. Para descubrir cuál es la mejor combinación posible y obtener la potencia específica requerida para 1 megavatio.”
Como un sistema completo, el motor está diseñado de tal manera que las placas de circuito distribuido están estrechamente acopladas con la máquina eléctrica. Para minimizar la pérdida de transmisión y permitir un enfriamiento efectivo del aire a través del intercambiador de calor integrado.
“Esta es una máquina de alta velocidad. Y para mantenerla girando mientras crea un par, los campos magnéticos tienen que viajar muy rápido. Lo que podemos hacer a través de nuestras placas de circuito cambiando a alta frecuencia”, dice Spakovszky.
Probando, probando…
Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales individualmente. Y ha demostrado que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que superan las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico completamente funcional y comenzar a probarlo en el otoño.
Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su totalidad, dicen que el diseño podría propulsar aviones regionales. Y también podría ser un compañero de los motores a reacción convencionales, lo que permitiría el empleo de sistemas de propulsión eléctricos híbridos.
El equipo también prevé que múltiples motores de un megavatio podrían alimentar múltiples ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de aeronaves. Mirando hacia el futuro, los cimientos del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían escalarse potencialmente a motores de varios megavatios. Para impulsar aviones de pasajeros más grandes.
“Creo que estamos en el buen camino”, dice Spakovszky, cuyo grupo e investigación se han centrado en algo más que turbinas de gas. “No somos ingenieros eléctricos de formación, pero abordar el gran desafío climático de 2050 es de suma importancia. Trabajar con la facultad, el personal y los estudiantes de ingeniería eléctrica para este objetivo puede aprovechar la amplitud de tecnologías del MIT para que el todo sea mayor que la suma de las partes. Así que nos estamos reinventando en nuevas áreas. Y el MIT nos da la oportunidad de hacerlo”. Motor eléctrico del MIT podría ayudar a electrificar la aviación.
Referencia: artículo “Un demostrador de tecnología de máquinas eléctricas de clase megavatio para propulsión turboeléctrica”, escrito por Jennifer Chu, de la Oficina de Noticias del MIT
