Aeroingenieros del MIT están creando un motor eléctrico de 1 megavatio que es un trampolín para electrificar aviones comerciales. En la imagen se muestran algunos conceptos industriales para aeronaves híbridas eléctricas. Crédito: @Airbus SAS 2023
Las demostraciones de tecnología muestran que los componentes clave de la máquina funcionan según lo requerido.
Los ingenieros del MIT están desarrollando un motor eléctrico compacto, ligero y potente de 1 megavatio que podría permitir la electrificación de aviones comerciales. Después de diseñar y probar con éxito los componentes individuales, se planean pruebas completas del motor ensamblado para el otoño. Esta tecnología podría ampliarse a aviones de pasajeros más grandes, lo que ayudaría a reducir la huella de carbono de la aviación.
La enorme huella de carbono de la aviación puede disminuir significativamente con la electrificación. Sin embargo, hasta ahora, solo han despegado pequeños aviones totalmente eléctricos. Sus motores eléctricos generan cientos de kilovatios de energía. Para electrificar jets más grandes y pesados, como los aviones comerciales, se necesitan motores a escala de megavatios. Estos serían impulsados por sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos, donde una máquina eléctrica se acopla a un motor aeronáutico de turbina de gas.
Para abordar esta necesidad, un equipo de ingenieros del MIT está creando un motor de 1 megavatio que podría ser un trampolín clave para electrificar aviones más grandes. El equipo diseñó y probó los principales componentes del motor y demostró, a través de 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.
Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una pila de combustible. El motor podría entonces transformar la energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también se puede combinar con un motor a reacción turboventilador tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases del vuelo.
El motor de megavatios del MIT (que se muestra en la sección transversal en la parte superior derecha y a escala completa en la parte inferior derecha) comprende tecnologías habilitadoras clave: un rotor externo de imán permanente de alta velocidad, un estator de diente y ranura de baja pérdida, un intercambiador de calor avanzado; y electrónica de potencia integrada de alto rendimiento. Crédito: Cortesía de los investigadores.
“No importa lo que usemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible sostenible para aviones), no importa qué, los motores de clase de megavatios serán un factor clave para hacer que la aviación sea más ecológica”, dice Zoltan Spakovszky, profesor de T. Wilson. en Aeronáutica y Director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT, quien lidera el proyecto.
Spakovszky y los miembros de su equipo, junto con los colaboradores de la industria, presentarán su trabajo en una sesión especial del Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) del Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica 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 Electromagnéticos y Electrónicos 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).
cosa pesada
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. Lograr ese objetivo para la aviación, dice Spakovszky, requerirá «logros radicales» en el diseño de aeronaves, aeronaves no convencionales, inteligentes y sistemas de combustible flexibles, materiales avanzados y 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 bala de plata para que esto suceda, y el diablo está en los detalles”, dice Spakovszky. “Esto es ingeniería pesada, en términos de cooptimización de componentes individuales y hacerlos compatibles entre sí, maximizando el rendimiento general. Para hacer esto, tenemos que superar los límites en materiales, fabricación, gestión térmica, estructuras, dinámica del rotor y electrónica de potencia”.
El equipo realizó varios experimentos de mitigación de riesgos para demostrar que cada componente puede funcionar según lo diseñado y en condiciones que exceden las demandas operativas normales, incluido el estator (a, b y f), el rotor magnético (c), el intercambiador de calor (d), y las tarjetas electrónicas de potencia (e). Crédito: Cortesía de los investigadores.
En términos generales, un motor eléctrico usa fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos, como los que alimentan el ventilador de su computadora 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.
Las máquinas eléctricas existen desde hace más de 150 años, con el entendimiento de que cuanto más grande es el dispositivo o vehículo, más grandes son 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, lo que requiere elementos adicionales para mantener los componentes frescos, todo lo cual puede ocupar espacio y agregar un peso significativo al sistema, lo que lo convierte en un desafío para las aplicaciones aeronáuticas.
“Las cosas pesadas no van en los aviones”, dice Spakovszky. “Así que tuvimos que crear una arquitectura compacta, liviana y poderosa”.
buena trayectoria
Tal como fue diseñado, el motor eléctrico y la electrónica de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada y pesan menos que un pasajero adulto.
Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una matriz de imanes con orientación de polaridad variable; un estator compacto de baja pérdida que encaja dentro del rotor y contiene una intrincada serie de devanados de cobre; 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, compuesto por 30 placas de circuito personalizadas, que alteran con precisión las corrientes que pasan a través de cada uno de los devanados del estator de cobre a alta frecuencia.
“Creo que este es el primer proyecto integrado verdaderamente cooptimizado”, dice Spakovszky. “Lo que significa que hicimos una exploración muy extensa del espacio de diseño, 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 para obtener la potencia específica requerida. . a un megavatio.”
Como sistema completo, el motor está diseñado de tal manera que las placas de circuitos distribuidos se acoplan a 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 deben viajar muy rápido, lo que podemos hacer haciendo que nuestras placas de circuito cambien a alta frecuencia”, dice Spakovszky.
Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales de forma individual y ha demostrado que pueden funcionar 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.
“La electrificación de las aeronaves ha ido en constante aumento”, dice Phillip Ansell, director del Centro para la Aviación Sostenible de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que no participó en el proyecto. “El proyecto de este grupo utiliza una maravillosa combinación de métodos convencionales y de vanguardia para el desarrollo de máquinas eléctricas, lo que nos permite ofrecer robustez y eficiencia para satisfacer las necesidades prácticas de las aeronaves del futuro”.
Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su totalidad, dicen que el diseño podría impulsar aviones regionales y también podría ser un compañero de los motores a reacción convencionales para permitir sistemas de propulsión híbridos eléctricos. 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, el diseño básico de la máquina eléctrica de un megavatio podría expandirse a motores de varios megavatios para impulsar aviones de pasajeros más grandes.
“Creo que estamos en una buena trayectoria”, dice Spakovszky, cuyo grupo e investigación se ha centrado en algo más que turbinas de gas. “No somos ingenieros eléctricos de formación, pero abordar el gran desafío climático de 2050 es extremadamente importante; trabajar con la facultad, el personal y los estudiantes de ingeniería eléctrica para lograr este objetivo puede aprovechar la amplitud de tecnologías del MIT para que el todo sea mayor que la suma de sus partes. Por eso, nos estamos reinventando en nuevas áreas. Y el MIT te da la oportunidad de hacerlo”.
Referencias:
