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Hace años, una campaña publicitaria instaba a los viajeros a "Surcar el cielo rodeados de amabilidad". No obstante, los esfuerzos de un grupo dedicado de partes interesadas de la industria de la aviación y miembros de los comités internacionales de ASTM con visión de futuro pueden añadir algún día la palabra "sostenibilidad" a esa frase.

Pero para empezar, ¿qué significa el concepto de sostenibilidad en el contexto de los viajes aéreos? Este refleja el hecho de que actualmente, desde el punto de vista medioambiental, los cielos no son especialmente amigables.

Por ejemplo, la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA) estima que el combustible para aviones consumido por los viajes aéreos comerciales representa alrededor del 2 % de las emisiones mundiales de carbono. Otros subproductos de los vuelos comerciales como las estelas, que se cree que influyen en el proceso de formación de nubes que contribuye al calentamiento de la atmósfera, acercan ese porcentaje a cinco. Y se espera que esta proporción de las emisiones totales aumente aún más a medida que más y más vehículos propulsados por gasolina sean reemplazados por automóviles y camiones eléctricos, lo que reducirá la proporción de automóviles.

La IATA también ha calculado que las emisiones de CO2 del sector de la aviación crecieron de 733 a 915 millones de toneladas métricas entre 2013 y 2019. Otro grupo de la industria, la Organización de Aviación Civil Internacional, prevé que las emisiones mundiales de la aviación internacional este año serán un 70 % superiores a las de hace 15 años, y serán un 700 % mayores para 2050.

Al igual que con el transporte terrestre, el cambio a una fuente de energía diferente podría ser una manera de mitigar estos efectos ambientales negativos. Y aunque la evolución de las aeronaves de propulsión eléctrica todavía está en sus inicios —y todavía falta mucho para que llegue el momento en que los grandes jets de pasajeros cambien las líneas de combustible por cables de extensión—, muchas empresas de todo el mundo están explorando el potencial de los sistemas de propulsión alternativos para aviones más pequeños.

Los comités de ASTM International relacionados con la aviación están justo en medio de esta actividad. Estos están trabajando en dos áreas específicas y de vital importancia: la incorporación de unidades de propulsión eléctrica (EPU, por sus siglas en inglés) en los diseños de las aeronaves y el aumento de la probabilidad de que los pasajeros y los socorristas sobrevivan al accidente de un avión eléctrico.

Una larga historia en la aviación

ASTM International ha sido un socio valioso para los profesionales de la aviación durante décadas. El comité aeroespacial y aeronáutico (F07) se formó en 1969 y fue el primero en centrarse específicamente en la industria. Desde entonces, se han unido a él los comités sobre aeronaves deportivas livianas (F37), sistemas de aeronaves no tripuladas (F38), sistemas de aeronaves (F39) y aeronaves de aviación general (F44).

Juntos, estos comités son responsables de docenas de estándares que contemplan todo, desde las especificaciones del comité F37 para el diseño y el rendimiento de un avión deportivo liviano (F2245) y la especificación del comité F44 para las características de manejo de aeronaves (F3173), hasta los métodos estandarizados del comité F39 para la inspección (F2696) y el mantenimiento (F2799) de los sistemas de cableado eléctrico de aeronaves, y mucho más.

No es de extrañar, sin embargo, que la mayoría de estos estándares se apliquen a aviones convencionales que usan motores de combustión interna, ya sea de pistón o turbinas, que queman combustible para proporcionar energía de propulsión. Solo en los últimos años la tecnología ha avanzado hasta el punto en que los motores eléctricos pueden impulsar un aeronave lo suficientemente grande como para transportar pasajeros.

"Lo que hemos visto en la última década son dos tendencias: aeronaves más pequeñas —vehículos aéreos no tripulados— que funcionan con motores eléctricos, y una disminución en el costo y el tamaño de la electrónica necesaria para accionar los motores eléctricos", dice Herb Schlickenmaier, consultor de la industria y miembro de los comités F44 y F39. "Esas dos tendencias han comenzado a intersecarse de manera general, lo que ahora hace posible la existencia de motores eléctricos que pueden alimentar una aeronave pequeña y transportar personas".

Reconociendo la viabilidad de los sistemas de energía eléctrica para aeronaves, el subcomité sobre diseño, modificación y certificación de sistemas de propulsión eléctrica (F39.05) desarrolló y obtuvo en 2018 la aprobación para la especificación del diseño de unidades de propulsión eléctrica (EPU) para aeronaves de aviación general (F3338). Y ahora, este estándar fundamental está en proceso de actualización.

Propulsión eléctrica distribuida

Uno de los avances más prometedores en la tecnología de aviación sostenible es la propulsión eléctrica distribuida (DEP, a veces también conocida como DPS, o sistema de propulsión distribuida). Este innovador enfoque utiliza las EPU antes mencionadas, que son pequeños motores que permiten a las aeronaves despegar y aterrizar en áreas pequeñas. Estas generan fuerza de empuje distribuida por toda el ala para modificar las características aerodinámicas de la superficie de elevación de una aeronave y pueden permitir un mejor rendimiento de crucero en aviones con configuraciones de ala de alta relación de aspecto como el avión modelo X-57 de la NASA, del que se trata más adelante. Con un diseño diferente (DEP), estos motores también pueden permitir velocidades de despegue y aproximación más bajas, lo que hace posible que una aeronave opere en pistas más pequeñas.

Las EPU constan de un inversor (que convierte CC a CA), un controlador de motor y un motor eléctrico que convierte la energía eléctrica (normalmente de una batería) en energía de propulsión. A diferencia de los motores de gasolina típicos, estas se pueden colocar, dimensionar y operar con mayor flexibilidad para proporcionar un mejor rendimiento.

"La propulsión eléctrica proporciona un motor pequeño y suficientemente potente que se puede colocar en lugares del vehículo donde sería difícil hacerlo con motores de combustión interna o motores de turbina. Las líneas de combustible son más difíciles de enrutar que el cableado eléctrico", dice Schlickenmaier.

William Fletcher es ingeniero de aeronavegabilidad de Rolls Royce, un fabricante líder de motores a reacción. Está activo en el subcomité F39.05 que está trabajando en revisiones de la especificación F3338 para aeronaves de aviación general para que esta refleje las últimas configuraciones de EPU. "Cuando se publicó por primera vez el estándar, al observar las necesidades de la industria, todos los motores eléctricos y las EPU en ese momento eran refrigerados por aire", señala. "Así que, para que el estándar fuera práctico para publicarse y usarse de inmediato, el comité eligió dejar la tecnología más compleja fuera del estándar".

Ahora, no obstante, como señala Fletcher, una segunda generación de diseños de EPU presenta una mayor densidad de potencia, lo que requiere un método diferente de enfriamiento (la densidad de potencia se refiere a la cantidad de potencia electromecánica generada por unidad de volumen). "Es difícil obtener una alta densidad de potencia con un motor refrigerado por aire, por lo que esta próxima generación de motores utilizará refrigeración por líquido en lugar de refrigeración por aire", dice.

Ya existen otros estándares de ASTM International que abordan los sistemas de refrigeración y lubricación de aeronaves que el subcomité puede tomar como punto de partida. Muchos de ellos se desarrollaron antes del cambio a reglamentos basados en el rendimiento que comenzó con la aprobación de la Ley Nacional de Transferencia y Adelanto de la Tecnología de los Estados Unidos en 1996. Esta ley representó un alejamiento de un enfoque más normativo y dirigido por el gobierno a uno que se apoyara en las partes interesadas de la industria y las organizaciones de desarrollo de estándares como ASTM International para resolver los problemas y lograr el consenso.

"Con los requisitos para la refrigeración por líquido, estamos captando la manera en que las entidades reguladoras esperan que se diseñe el sistema y qué características debería tener", dice Fletcher. "Entonces, si hablamos de un sistema de enfriamiento por aceite, especialmente si este también enfría el motor y los cojinetes, se requerirá que este tenga filtros de aceite para atrapar cualquier residuo metálico que generen los cojinetes. Y se deja forma de cumplir con esos requisitos a organizaciones como ASTM".

Otro elemento del diseño de las EPU en evolución se relaciona con los propulsores. "La mayoría de las EPU en desarrollo en todo el mundo carecen de propulsores integrados", dice Chris Eick, ingeniero de Honeywell y miembro del subcomité  F39.05. "Constan de un motor eléctrico típico con un eje de salida al que se conecta una hélice que proporciona empuje a la aeronave. Estas EPU son compatibles con la especificación F3338".

Sin embargo, algunas unidades de propulsión eléctrica se están diseñando con un motor integrado y un conjunto de hélice (de paso fijo o variable) que no se pueden separar. Uno de los elementos de trabajo actualmente en curso en el subcomité es una revisión de la especificación F3338 para abordar tales diseños de EPU de próxima generación.

Fletcher dice que otras partes del estándar F3338 se centran en el rendimiento. Por ejemplo, una prueba de resistencia requiere que un motor se pruebe en condiciones realistas durante un cierto número de horas para demostrar que funciona correctamente. "Esos requisitos ya existen en el estándar, por lo que, aunque estamos agregando otro sistema como la refrigeración por líquido o los propulsores, el tramo de la prueba se satisface con lo que hay en el texto existente", dice.

El factor X

Los atributos y configuraciones específicos del motor eléctrico son, por supuesto, fundamentales para cualquier discusión sobre los estándares de DEP. ¿Qué pasa con el rendimiento de los aviones reales que usan tales sistemas? El primer avión experimental totalmente eléctrico de la NASA, el X-57, está ayudando a marcar el camino hacia algunas respuestas.

El X-57 presenta un diseño convencional de ala fija que incorpora 12 hélices pequeñas de accionamiento eléctrico montadas en el borde de ataque del ala y dos hélices eléctricas grandes en las puntas de esta. "Tenemos la intención de que el proyecto X-57 ayude a impulsar el desarrollo de nuevos estándares con respecto de la tecnología de propulsión eléctrica distribuida", dice Nicholas Borer, líder del grupo de conceptos avanzados en la Rama de Análisis de Sistemas Aeronáuticos de la NASA, y miembro de los comités F39 y F44.

Con ese fin, "La NASA está estudiando los beneficios potenciales de un sistema de propulsión eléctrica distribuida en vuelo", explica el colega de Borer, Sean Clarke, investigador principal del proyecto X-57 y participante en los mismos dos comités. "A medida que incorporamos las tecnologías en nuestro vehículo y realizamos pruebas de rendimiento de vuelo, estamos aprendiendo lecciones y superando desafíos técnicos que otros diseñadores de aeronaves con tecnología de propulsión eléctrica también enfrentarán. Los estándares de ASTM son un beneficiario clave de esta información, ya que podemos trabajar en un entorno basado en el consenso para garantizar que los datos de la NASA sean relevantes y procesables".

"El objetivo de nuestra amplia participación es facilitar la transferencia de tecnología crítica que apoyará el desarrollo de la propulsión eléctrica y eléctrica distribuida", dice Vince Shultz, subgerente  del proyecto X-57 y otro miembro de los comités F39 y F44. "También estamos compartiendo datos y mejores prácticas que pueden contribuir a un entendimiento común de esta nueva tecnología; estos pueden ser utilizados por la FAA (Administración Federal de Aviación de los EE. UU.) y otras entidades reguladoras en todo el mundo en apoyo de sus esfuerzos de certificación".

Además del estándar F3338, están en curso las revisiones de otros dos estándares de EPU del comité sobre aeronaves de aviación general. De hecho, la especificación para sistemas de propulsión eléctrica de aeronaves (F3239) ya está en su segunda revisión. "La revisión incluye principios de diseño de sistemas para arquitecturas de propulsión eléctrica que aconsejan a los diseñadores sobre cómo garantizar la redundancia de las funciones críticas, las mejores prácticas para la integración de estas tecnologías en las aeronaves y las técnicas de mitigación de riesgos", dice Clarke.

El documento F3316 es la especificación para sistemas eléctricos para aeronaves con propulsión eléctrica o híbrida-eléctrica. Aprobada por el comité sobre aeronaves de aviación general en 2018, la especificación proporciona orientación sobre cómo garantizar una interfaz fluida entre los sistemas de aviónica de un avión y las EPU. Clarke señala que un elemento vital de este estándar se refiere al monitoreo y control de los sistemas de almacenamiento de energía como las baterías para propulsión.

Protección de pasajeros y socorristas

El funcionamiento ininterrumpido de la batería es fundamental para mantener el suministro de energía de una aeronave eléctrica, y su peso y ubicación dentro de la aeronave, así como el hecho básico de su presencia, deben tenerse en cuenta en caso de que esta se estrelle.

El subcomité sobre diseño, modificación y certificación de sistemas de propulsión eléctrica (F39.05) está abordando estos problemas con la colaboración continua entre organizaciones de interés público como la NASA, las autoridades de aviación civil (incluidas la FAA y Agencia Europea de Seguridad Aérea [EASA]), y productores ansiosos por usar estas tecnologías. La atención se centra en una especificación propuesta para el diseño de sistemas de almacenamiento de energía para propulsión eléctrica para aeronaves de aviación general (WK56255).

Clarke, de la NASA, señala los desafíos técnicos del almacenamiento seguro en baterías. "Las pautas actuales de la autoridad de certificación exigen baterías que estén diseñadas para contener la falla completa de todas las celdas de cada compartimiento de baterías, aunque esto no ha sido práctico para las baterías grandes que son necesarias para la propulsión primaria", dice. "El X-57 utiliza un sistema de baterías basado en técnicas de diseño desarrolladas por la NASA para la Estación Espacial Internacional, aunque a una escala mucho mayor, y está destinado a limitar las fallas de las celdas individuales y evitar que estas se propaguen al resto del compartimiento".

Mantener la integridad dentro de la batería es crucial para mantener un avión eléctrico en el aire. ¿Y qué pasa si sucede lo impensable y ocurre una falla catastrófica en vuelo?

"Los aviones eléctricos también se estrellan, porque todavía son operados por pilotos, y en este momento se trata de aviones pequeños que en su mayoría vuelan personas que no vuelan todos los días", dice Tine Tomažič, director de investigación y desarrollo de Pipistrel, un fabricante de aviones con sede en Eslovenia que comenzó a trabajar con propulsión eléctrica en entrenadores de vuelo eléctricos como el Alpha Electro.

Una vez que comenzaron a observar las condiciones posteriores al impacto, Tomažič y sus colegas del subcomité sobre motores (F44.40) crearon una lista de verificación en la que el peso de la batería representa un área de escrutinio particular. Se deben tomar medidas para garantizar que este conjunto extremadamente pesado no se mueva y rompa el compartimiento de los pasajeros durante un impacto, lo que podría lesionar a los ocupantes.

Otro elemento crítico en la lista de verificación de una aeronave es la señalización. Tomažič enfatiza su importancia cuando ese avión presenta un sistema de energía no tradicional. "Los socorristas pueden tener dificultades para reconocer un avión eléctrico", dice. "Quizás no haya un tubo de escape, aunque esa es casi la única diferencia obvia. Es difícil saberlo".

Entonces la pregunta es: ¿cómo se señaliza un avión eléctrico para que los socorristas sepan dónde se encuentran los componentes únicos y entiendan el peligro potencial? "A veces son cosas pequeñas, como calcomanías naranjas en el exterior de la aeronave, las que muestran dónde están los cables para evitar que los cortes", dice Tomažič. "En realidad la idea no es que solo lo discutan el piloto y los ocupantes del avión. También tenemos que informar a las personas alrededor del avión, en el aeropuerto, incluso a los posibles espectadores que puedan ayudar".

Desde las pautas de señalización hasta las especificaciones para la tecnología existente utilizada de nuevas maneras, los estándares de ASTM International desempeñarán un papel fundamental en el impulso hacia un ecosistema de aviación más sostenible. Clarke lo expresa de esta manera: "Los subcomités de ASTM han sido un foro clave para que los desarrolladores, las autoridades de certificación y los investigadores establezcan un enfoque común para hacer que estas tecnologías estén disponibles para el público, lo que conducirá a que en el futuro las aeronaves sean menos costosas de poseer y operar, tengan un menor impacto ambiental y sean más confiables".

En números

• 2 % Porcentaje de las emisiones globales de carbono producidas por los viajes aéreos
• 915 Millones de toneladas métricas de CO2 producidas por los viajes aéreos en 2019
• 70 % Aumento en el CO2 producido por los viajes aéreos desde 2005

Jack Maxwell es un escritor independiente que reside en Westmont, Nueva Jersey.