Aviones de un futuro cercano

La industria aeronáutica espera que para el año 2050 se produzca un gran aumento del tráfico aéreo. Esto es unas siete veces el que existe en la actualidad.  También se espera que las emisiones de gases de efecto invernadero aumenten cuatro veces. Todo esto se producirá si no ponemos remedio y se hagan cambios fundamentales. Pero, ¿qué tan "fundamentales" serán esos cambios y cuál será su efecto en los aviones que usamos?

Ya estamos asistiendo al nacimiento de los aviones híbridos, pero un paso fundamental para asegurar que la industria aeronáutica se vuelva verde es la electrificación completa de los aviones comerciales. Eso significa cero emisiones de CO2 y NOx si la energía procede de centrales eléctricas que son alimentadas de manera sostenible. La principal barrera tecnológica que debe superarse es la densidad de energía de las baterías, una medida de cuánta potencia puede ser generada a partir de una batería de un cierto peso.

Elon Musk, el CEO de Tesla ha dicho que una vez que las baterías sean capaces de producir 400 vatios-hora por kilogramo, con una relación entre célula de potencia y masa total de entre 0,7-0,8, sería viable poder ver un avión transcontinental eléctrico. Dado que las baterías de iones de litio eran capaces de alcanzar densidades energéticas de 113Wh/kg en 1994, 202Wh/kg en 2004 y ahora son capaces de aproximadamente 300Wh/kg, es razonable suponer que alcanzarán los 400Wh/kg en el Próxima década.

Avión eléctrico de la NASA

Otro aspecto importante es la caída exponencial en el coste de los paneles solares, que ya se han convertido en la forma más barata de energía en la mayoría de los Estados Unidos. La reducción esperada del 70% en el coste de las baterías de iones de litio para 2025, y el rápido aumento en el costo del combustible a reacción basado en queroseno significa que habrá una disparidad grande y creciente en los costos de funcionamiento de las aeronaves que favorecerán enormemente la electrificación. Como suele ser el caso, las razones que ralentizarán la transición no son tecnológicas, sino que están arraigadas en la inercia económica y política contra la revocación del statu quo.

Blended Wing Body. Boeing & NASA

Biocombustibles mientras esperamos

Teniendo en cuenta que la vida útil media de los aviones de pasajeros y de carga es de alrededor de 21 y 33 años respectivamente, incluso si todas las aeronaves nuevas fabricadas a partir de mañana fueran completamente eléctricas, la transición de las aeronaves con combustibles fósiles duraría de dos a tres décadas.

E-Thrust Project. EADS

Mientras tanto, el biocombustible ofrece reducciones de las emisiones de carbono entre 36-85%, con variabilidad dependiendo del tipo de tierra utilizada para cultivar los cultivos combustibles. Puesto que el cambio de un combustible a otro es relativamente sencillo, se trata de algo que vale la pena realizar antes de eliminar completamente los motores de combustión. A pesar de que en 2009 se certificó una mezcla de biocombustible a base de combustible de queroseno, la industria aeronáutica no tiene prisa por poner en práctica el cambio. Existen pequeños obstáculos tecnológicos y problemas relacionados con la ampliación de la producción de biocombustibles a los niveles industriales, pero la principal limitación es la paridad de precios con los combustibles fósiles está todavía a diez años de distancia.

Airbus 2050 concept plane. Airbus

La adopción de cualquier nueva tecnología aeronáutica -desde la investigación, el diseño de bocetos, las pruebas y la plena integración- suele ser un proceso de una década. Dado que el motor de combustión se eliminará gradualmente a mediados de siglo, parecería más económico y ecológico innovar en otras áreas: diseño de fuselaje, investigación de materiales, diseño de propulsión eléctrica y control de tráfico aéreo.

Dotar de vida a los aviones

La revista Mecánica Popular del año 1949 decía: "una computadora ENIAC está equipada con 18.000 tubos de vacío y pesa 30 toneladas, pero las computadoras en el futuro llegarán a tener sólo 1.000 tubos de vacío y tal vez pesen 1,5 toneladas."

Como se puede ver en esa afirmación "optimista", vivimos en un mundo en el que la tecnología avanza exponencialmente. Tenemos que intentar abstraernos de nuestro pensamiento cotidiano y lineal para llegar a concebir plenamente y utilizar los medios que tenemos para dar forma al futuro. La potencia computacional, en términos de coste avanza más cada hora que en los primeros 90 años. Con esto en mente, podemos llegar a extrapolar que el equivalente a un computador de 1.000 Euros a día de hoy en 2023 ya será más potente que el potencial intelectual de un ser humano y, para 2045, superará la capacidad intelectual equivalente a todos los cerebros humanos combinados.

La miniaturización de la electrónica digital durante el último medio siglo ha seguido una tendencia exponencial similar, con la reducción del tamaño de los transistores que han pasado de aproximadamente 1.000 nanómetros en 1970 a 7 nanómetros a día de hoy (esto significa unos 20.000 millones de transistores en el tamaño de una uña).  Se espera que dentro de muy poco IBM llegue  a los 5 nanómetros (30.000 millones de transistores en el espacio mencionado). En comparación, un glóbulo rojo humano es de aproximadamente 6.200-8.200 nanómetros de ancho.

Teniendo en cuenta este aumento en el poder computacional y uniéndolo a la disminución en el tamaño del circuito, y añadiendo los progresos realizados con la impresión en 3D, podemos pensar que es muy posible que en algún momento de la próxima década seamos capaces de producir computadoras integradas lo suficientemente poderosas como para controlar un avión a un nivel casi equivalente al del sistema nervioso humano operando casi en tiempo real -interconexión inalámbrica de dispositivos digitales a nanoescala-.

El uso de un "sistema nervioso" digital inspirado biológicamente e implantado en una aeronave, con receptores y sensores dispuestos de manera que puedan captar, temperaturas y estados de flujo de aire podría mejorar drásticamente la eficiencia energética de los futuros aviones. Para ello se debe de procesar toda esta información con un buen software y pasarla a mecanismos que posibiliten controlar o incluso cambiar la forma del avión en respuesta a los cambios detectados.

Quitar la cola

Una vez que se los aviones eléctricos sean una realidad cotidiana, el siguiente paso será integrar un sistema de propulsión montado en una especie de conjunto cardánico que pueda proporcionar empuje en cualquier dirección (empuje vectorizado). Esto eliminará la necesidad de los elevadores, timones y superficies de control del plano de cola que ahora utilizan los aviones contemporáneos. A su vez se eliminará una gran cantidad de resistencia al avance y se reducirá la masa de la aeronave de una forma significativa.

Las alas que estamos diseñando ya están cerca de su pico en términos de eficiencia aerodinámica, pero todavía no hacen justicia a lo que la naturaleza ha logrado en las aves. Las ideas clásicas sobre diseño de alas en aeronaves tienen un siglo de antigüedad, pero la tecnología ha crecido muchísimo desde entonces. Ya no necesitamos construir alas como estructuras rígidas con discretas superficies de control, ahora podemos recurrir al mundo natural para obtener la inspiración. Como dijo Richard Feynman: "Creo que la imaginación de la naturaleza es muchísimo mayor que la del hombre y nunca nos dará un respiro".