Una aviación sin emisiones nocivas

El objetivo de llegar a emisiones cero en el año 2050 pasa por avanzar en la combustión de los aviones. El Massachusetts Institute of Technology (MIT) es uno de los más avanzados en la investigación de motores híbridos para aviación. «Trabajamos con la finalidad de cumplir estas regulaciones de cero emisiones. Para ello desarrollamos nuevos prototipos de motor, en los que combinamos turbinas de gas con motores eléctricos para mover los compresores que acaban dando empuje al avión».

Lo explica David González Cuadrado, un leonés que trabaja como ingeniero de investigación en el equipo del Laboratorio de Turbinas de Gas del MIT. González Cuadrado se graduó en Ingeniería Aeronáutica en la Universidad de León, hizo su Erasmus sobre fabricación aeronáutica en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse y se doctoró en la Universidad Politécnica de Valencia, donde trabajó en el Centro de Motores Térmicos.

A partir de ahí comenzó su trabajo en los principales centros de investigación sobre su especialidad aeronátucia a nivel mundial. Realizó un máster en investigación de fluidos dinámicos en el Instituto Von Karman de Bruselas, y el título de doctorado de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Purdue.

A lo largo de esta trayectoria ha trabajado entre otros en proyectos como el desarrollo de túneles de viento para el diseño y la optimización de turbinas. «Se trataba de testear los diferentes componentes de los motores que vuelan hoy en día, y para eso se necesitan túneles de viento especializados. En Purdue University trabajé en el diseño, desarrollo y puesta a punto de un túnel único en el mundo para testear turbinas de alta presión», explica el ingeniero leonés.

También en ese centro investigador trabajó en la «aplicación de métodos inversos en transferencia de calor en turbinas de gas. En ese proyecto, que es parte de mi tesis doctoral, se aplican métodos matemáticos que resuelven la ecuación de transferencia de calor empezando desde la solución, para resolver las condiciones a las que la turbina ha sido sometida».

González Cuadrado señala que con este trabajo, «mediante una medida directa de temperatura en el exterior de la carcasa de la turbina, demostramos que podíamos deducir lo que pasaba dentro del mecanismo. Un lugar donde el aire está tan caliente que no pueden colocarse sensores».

En el MIT

Desde hace un año trabaja como ingeniero de investigación en el Laboratorio de Turbinas de Gas del MIT. «El objetivo es investigar las formas de propulsar aviones, y también de obtener energía, con los objetivos de reducir las emisiones a la atmósfera en mente. Trabajamos en distintas facetas, desde nuevos combustibles a motores eléctricos o híbridos».

Desde su puesto como ingeniero de investigación, participa en prácticamente todos los proyectos que desarrolla el Laboratorio de Turbinas de Gas. «Desde los diseños de las pruebas a los experimentos, la colocación de sensores, el análisis de datos,...». El equipo lo forman cuatro profesores, González Cuadrado como manager, una decena de doctorandos, cinco másters y hasta 20 estudiantes.

Respecto a los resultados, González Cuadrado explica que «es difícil saber cuándo tendrán aplicación práctica los proyectos que estamos desarrollando. Hay proyectos que son más evolucionistas, que tratan de lograr mejoras sobre motores que ya existen. De esos están pendientes también las empresas, «aunque desde que se inicia un desarrollo hasta que puede aplicarse en la práctica con seguridad pueden pasar diez años».

Otro tipo de proyectos, «los más revolucionarios, implican crear un motor nuevo completamente. Estos pueden tardar años en demostrar y poner en marcha sus avances. Y tienen que seguir estrictas regulaciones. Primero se desarrolla la idea, luego se van articulando los distintos componentes, hasta que llega el nivel de preparación suficiente para que pueda ser utilizado. Esto puede llevar 20 años de trabajo», explica el ingeniero.

La investigación para lograr un sector de la aviación más verde pasa por un lado por el desarrollo de nuevos combustibles. «No soy experto en este sector, pero en el objetivo de evitar en lo posible los combustibles fósiles se están desarrollando diversos trabajos. Por ejemplo, ciertos alcoholes. Cada empresa trabaja en desarrollar un tipo de mejora en los combustibles y las partes del motor que implica que tienen que ser mejoradas».

«Otra tendencia, que lo cierto es que aún tiene mucho camino por delante para desarrollarse, pero se está investigando, es la utilización de hidrógeno. Su regulación tiene que ser estricta, reacciona con el oxígeno, generalmente produciendo agua, pero es peligroso y está en estudio».

Ecológico y económico

En lo que sí es expertos David González Cuadrado es en el desarrollo de la tecnología de los motores hacia un camino no sólo más ecológico, sino más económico. «Los objetivos de las investigaciones son, evidentemente, medioambientales, pero no hay que olvidar que tienen un fuerte componente de reducción de costes económicos. Las empresas aeronáuticas tienen una normativa que cumplir, y dentro de ella es necesario aprovechar en lo máximo posible la energía que se consume. Y la evolución de los motores es determinante en este ámbito. Tecnologías como la inteligencia artificial son una gran ayuda para cambiar y mejorar los diseños de los motores».

El ingeniero leonés incide en que tanto para diseñar un motor como para mejorar cada uno de los componentes que tiene «hay detrás un enorme esfuerzo investigador. Por ejemplo, para mejorar y hacer más eficientes los compresores. O en la cámara de combustión, aunque ahí los avances están más relacionados con el campo químico. Desde luego, en las turbinas, que es el campo en el que he investigado más, incluido mi doctorado».

En este aspecto hay dos retos importantes: por un lado el de la eficiencia, que las turbinas de los motores sean más eficientes. «Pero las investigaciones aquí se desarrollan en un ambiente de altísimas temperaturas, que obligan a desarrollar la resistencia de los materiales. Hay que trabajar para que los componentes no sufran desgastes o se derritan. Es necesario restar calor y energía del flujo que va a las palas de las turbinas. Por eso la investigación está yendo muy encaminada a la transferencia de calor a las turbinas».

El ingeniero señala que los avances a los que se ha llegado son ya enormes, y que es complejo conseguir mejoras. «Pero las empresas valoran mucho cualquier progreso, pagan millones por investigar para conseguir un 0,1% más de eficiencia. Es así porque esa mejora supone un enorme ahorro económico, de combustible por ejemplo. Y es un ahorro también enorme para el medioambiente. Una pequeña mejora en cada componente de los motores marca la diferencia en el ahorro y la competitividad», concluye.

El Laboratorio de Turbinas de Gas del MIT no sólo desarrolla investigaciones a corto, medio y largo plazo sobre los problemas relacionados con los motores de la aviación, sino que mantiene vínculos muy importantes con la industria del sector. Y también, con las investigaciones de las administraciones públicas sobre energía, propulsión y tecnología de turbomáquinas.

Los trabajos de este centro de investigación se centran en sistemas de propulsión avanzados y turbomáquinas, y desarrollan estudios computacionales, tanto teóricos como experimentales, en las áreas de mecanismos de pérdida y flujos inestables en la maquinaria de fluidos, comportamiento dinámico y estabilidad de los sistemas de compresión, instrumentación y diagnóstico, maquinaria avanzada de fluidos radiales para turbonalimentación, compresión de energía y propulsión de cohetes; motores de turbina de gas y maquinaria de fluidos con reducción de ruido y aeroacústico; conceptos novedosos de aeronaves para reducir el impacto ambiental; sistemas de propulsión híbridos y eléctricos para aviación electrificada y generación de energía y diseño de maquinaria de fluidos multifase, como compresores de dióxido de carbono supercríticos.

El Laboratorio de Turbinas de Gas del MIT tiene proyectos de colaboración con los principales fabricantes de motores del mundo, por lo que insisten en que sus investigaciones tienen un fuerte anclaje en el «mundo real». Y cuentan con apoyo a la investigación por parte de la Nasa. Así que las investigaciones y los experimentos se realizan tanto en el laboratorio como en instalaciones gubernamentales y empresariales.