Respirando a gran altura

El suministro de aire en las cabinas de los aviones

Aire fino afuera - respiración confortable dentro.

Los aviones a reacción modernos vuelan en altitudes de más de diez kilómetros. Allá arriba, el aire es demasiado fino (poco denso por falta de presión) como para que un ser humano respire. Sin embargo, la cabina presurizada de los aviones de pasajeros de hoy ofrece a los pasajeros un entorno en el que pueden respirar normalmente. Por lo tanto, respirar a gran altura significa que debemos de tener presión dentro del avión. Aunque mucha gente no lo sepa, la proporción de O2 en el aire es prácticamente la misma a nivel de superficie que a la altura, donde vuelan los aviones comerciales. La proporción de oxígeno se sitúa en torno a un 21% y el Nitrógeno en torno al 78%. El problema es la presión necesaria para que se produzca la difusión osmótica a través de las membranas hemipermeables (o semipermeables) de los alvéolos pulmonares. Aunque exista la proporción adecuada de O2 en el aire, necesitamos meterlo en el torrente sanguíneo por medio de presión. Necesitamos pues presurizar la aeronave. 

Pero, ¿de dónde viene la presión que proporciona a los pasajeros aire respirable? El suministro de aire primario en las cabinas de las aeronaves de casi todos los aviones a reacción comerciales modernos se origina en sus motores. Dentro de los motores, numerosas etapas con álabes comprimen el aire que se succiona para el proceso de combustión, que finalmente impulsa al avión hacia adelante. Antes de que eso suceda, una pequeña parte del aire comprimido se desvía del conducto del motor. Este llamado "aire de purga" o "aire de sangrado" ("bleed air" en inglés) no solo tiene una alta presión sino también una temperatura muy elevada, por lo que también se puede utilizar para el sistema de deshielo de las alas y otras partes de la aeronave.

Para proporcionar aire respirable a los pasajeros y la tripulación, el aire de sangrado caliente debe de empezar por enfriarse previamente mediante intercambiadores de calor de hasta 200 grados centígrados. A través de las válvulas, que pueden controlarse por la tripulación de la cabina, el flujo de aire se dirige posteriormente al sistema de aire acondicionado, donde se enfría aún más a temperaturas confortables para los pasajeros. El aire frío se introduce ahora en una cámara de mezcla. Aquí, el aire de purga se mezcla con el aire recirculado usado anteriormente desde la cabina del avión. La mezcla de aire se dirige finalmente a la cabina de la aeronave, que se divide en varias zonas. Ver diagrama.

Zonas climáticas a bordo del avión

La temperatura cae aproximadamente 2 ºC por cada 300 m de altitud, por lo que el aire de los aviones debe ser calentado. Aunque en el exterior del avión pueda haber -56ºC cuando se vuela a 11 km de altura, en el interior podemos regular cómodamente la temperatura. La separación de la cabina de la aeronave en zonas permite un ajuste independiente de la temperatura en diferentes áreas o clases. Suele haber una gran diferencia de espacio entre asientos entre la clase business y asientos en la clase turista y por lo tanto una gran variación en el calor emitido por los pasajeros. Como consecuencia, podría ser necesario que la tripulación de cabina tenga que enfriar una zona mientras que otra tiene que ser calentada un poco para garantizar la  comodidad de todo el pasaje. Para calentar una zona de la cabina, el aire enfriado del aire acondicionado se enriquece con aire de sangrado caliente que pasa por el proceso de enfriamiento en el radiador del diagrama de arriba. Esto es lo que se conoce como "trim air" en muchos aviones. En caso de que sea necesario enfriar una zona de la cabina, simplemente se disminuye el porcentaje de este aire caliente. La temperatura de la cabina está normalmente preajustada desde la cabina de vuelo, pero la tripulación de cabina la puede controlar individualmente, en la familia AIRBUS por ejemplo, a través del sistema ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitor) y luego ajustarla a la zona de cabina individual mediante botones. La cantidad de diferentes zonas de cabina viene determinada por el tipo de aeronave. Por ejemplo, un avión de corto y mediano alcance como el Airbus A320 está dividido en dos zonas de cabina diferentes; los aviones de largo radio A330/A340 tienen hasta seis, zonas diferentes. Además de los pasajeros, la tripulación de vuelo también recibe su aire de la unidad de mezcla, en la cual el aire externo y recirculado se mezcla en una proporción preestablecida. El uso de aire recirculado, a pesar de lo que mucha gente piensa, en realidad es necesario para no resecar las vías aéreas de los ocupantes. Este aire recirculado aumenta la humedad ambiental y mejora la comodidad de los pasajeros. Debajo se muestra un sistema de aire acondicionado "clásico" (bastante anticuado) de un 737-300 (ECS o Environmental Control System). Hablaré de los modernos sistemas en otro post.

(1 y 6) purga de aire de los motores. (2 y 5) se enfría con el aire que proviene del ventilador de la zona delantera del motor. (3 y 4) aire poco caliente de un carrillo exterior y del APU. (7 y 11) válvula de aire de purga del motor. Se cierra durante un breve período de tiempo al arrancar el motor, cuando los motores deben dar la potencia máxima o cuando se sufre un impacto de ave y se filtran olores del motor; (8 y 10) primera etapa de enfriamiento; (9) Válvula de aislamiento - normalmente cerrada, puede abrirse desde el cockpit si falla un motor y ambos paquetes de a/c pueden operar con un solo motor; (12 y 15) aire dirigido hacia fuera de la aeronave una vez utilizado; (13) válvula de paquete izquierda; (14) válvula derecha del paquete; (16 y 19) paquetes de aire acondicionado. (17) "conexión de aire acondicionado" suministrada externamente; (18) aire de recirculación (desde el ventilador de recirculación) - aire de la cabina de pasajeros para una refrigeración adicional renovada); (20) aire para el cockpit; (21 y 22) distribuidor izquierdo y derecho de la cabina de pasajeros; (23) colector de mezcla; (24) Panel para el control de temperatura (panel superior en la cabina); (25 y 26) interruptor giratorio derecho/izquierdo que controla la temperatura de los pasajeros; (27 y 28) panel de control para la gestión del Aire de purga; en el modo de vuelo normal, ambos interruptores (derecho e izquierdo) están en modo automático - la válvula del paquete  de a/c se controla automáticamente - los paquetes obtienen más o menos aire según sea necesario; (29) Interruptor de la válvula de aislamiento (normalmente cerrada); (30) Interruptor para cambiar al aire del APU; (31) interruptor de aire de purga del motor derecho (debe estar cerrado cuando se arranque el motor).

Debajo se puede ver el sistema con el panel completo y los sensores.

Los sistemas de filtración eliminan virus y bacterias en el aire recirculado

La constante mezcla de aire de recirculación de la cabina mejora aún más la pureza del aire respirable. Dentro del proceso de recirculación, el aire pasa a través de los denominados filtros HEPA (aire particulado de alta eficiencia o High Efficiency Particulate Air en inglés​) este tipo de filtro de aire es de alta eficiencia y satisface unos estándares altísimos.

Los filtros certificados según este estándar se prueban microbianamente para eliminar más del 99,999 por ciento de todos los virus y bacterias conocidos del aire de la cabina. Sin embargo, dicha filtración solo se puede usar con aire recirculado porque los filtros HEPA no pueden resistir las temperaturas tan altas del aire sangrado. Sin embargo, los filtros de carbón activado que se montan de forma adicional son insensibles a estas altas temperaturas y gracias a ellos se eliminan los olores desagradables. Con el fin de mejorar aún más la eficiencia y la usabilidad de los filtros de aire, las actividades de investigación de la industria aeronáutica y médica desarrollan programas e investigaciones de forma permanente. 

Como dato curioso, decir que Un estudio del Departamento de transportes de Estados Unidos realizado en 92 vuelos aleatorios mostró que los niveles de agentes patógenos (hongos y bacterias) encontrados en las cabinas de vuelo son iguales o inferiores a los de los hogares. Estos niveles tan bajos de microbios son debidos a la completa renovación del aire del interior de la cabina, el cual se lleva a cabo hasta 30 veces por hora y a la alta capacidad de filtrado de los sistemas de recirculación de aire. Lo filtros HEPA de los aviones son los mismos que los que se usan en las salas blancas industriales y en las salas críticas de los hospitales como la unidad de trasplantes y de quemados. En comparación con estos sistemas, los sistemas de filtrado usados en edificios normales no son capaces de eliminar las bacterias y virus del aire.

En un Airbus A340-300, la relación entre el aire de purga y el aire recirculado se encuentra alrededor del 60 al 40 por ciento, pero en las nuevas generaciones de aeronaves recientemente desarrolladas se aumenta aún más el porcentaje de aire recirculado. En el caso de la familia E-Jet la proporción es del 52% de aire fresco y 48% de aire recirculado. En los CSeries de Bombardier el aire fresco está en torno al 58%. 

A pesar de tener una cabina mucho más grande, el Airbus A380-800, por ejemplo, consume alrededor de un 60 por ciento menos de aire de purga que el Boeing 747-400. Sin embargo, las autoridades de aviación requieren un cierto porcentaje de aire fresco en la cabina para garantizar un suministro adecuado de oxígeno que, independientemente de la altitud, representa el 21 por ciento del aire exterior. En muchos tipos de aeronaves, los pasajeros reciben más de 80 veces la cantidad de oxígeno requerida por las autoridades, incluso en el caso de que se mezcle un 40 por ciento de aire recirculado. Un ejemplo: en el Airbus A340-300, el aire de la cabina se reemplaza completamente 30 veces por hora, una vez cada dos minutos.

Presión de cabina monitorizada permanentemente

En próximas generaciones de aviones como el Boeing 787, el uso de aire de purga se abandonará por completo para optimizar aún más la eficiencia del combustible de los motores. No porque este tipo de aire sea malo para los pasajeros. Por lo tanto, el suministro necesario de aire externo se gestionará de forma diferente, por ejemplo, mediante un sistema de suministro de aire comprimido fuera del fuselaje o por compresores adicionales. Para garantizar que, a pesar del suministro de aire externo permanente, la presión de la cabina no sea cada vez mayor, un ordenador se encargará de operar la válvula de descarga para controlar de forma permanente la presión de la cabina y mantenerla a un nivel confortable. El ordenador abrirá la válvula liberando suave y constantemente el aire de la cabina hacia el exterior, teniendo en cuenta tanto la altitud de vuelo como la presión estática fuera del avión. De esta manera, la incómoda sensación de presión diferencial en los oídos de los pasajeros se minimiza al máximo. 

El Boeing 787 tiene las entradas de aire al aire acondicionado en el fuselaje, porque no utiliza aire de sangrado para el aire acondicionado.

El Ozono

El ozono es parte integrante de la capa de protección natural de la Tierra. La concentración de ozono, que es muy baja a nivel del mar, se incrementa con la altitud, y alcanza su pico en la estratosfera. Este gas, importante para filtrar la radiación ultravioleta, resulta tóxico para el sistema respiratorio, incluso a concentraciones menores de 1 ppm que se pueden alcanzar en algunas cotas habituales de vuelo. Para controlar este problema, los aviones tienen instalados catalizadores de ozono, para disminuir su concentración. Las normas de la Federal Aviation Administration establecen una concentración media máxima de 0,1 ppm y un pico máximo de 0,25 ppm.

Como se puede ver, la tecnología de los aviones modernos proporciona a los pasajeros condiciones cómodas y seguras en cualquier momento, incluso en altitudes en las que el aire es demasiado fino (falto de presión) como para poder respirar.

Si quieres saber más:

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/02/presurizacion-parte-i-fisiologia.html

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/02/presurizacion-parte-ii.html

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/01/el-aire-de-sangrado-bleed-air-en-plan.html

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/10/descenso-de-emergencia-automatico.html