Cómo aumentar la eficiencia de la energía eléctrica en las aeronaves

Uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad  actual es la reducción del consumo de combustibles fósiles y el aumento de energías limpias. A parte de las conocidas como la energía solar o eólica, actualmente podemos transformar otras formas de energía ambientales en energía eléctrica.

Por una parte, hace más de un siglo, algunos físicos como Lord Kelvin o Seebeck descubrieron que al someter a dos extremos de una barra de metal a diferentes temperaturas aparecía una corriente eléctrica, y cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre ambos extremos mayor será la potencia obtenida. Tradicionalmente este efecto se ha usado para poder medir la temperatura a través de sensores como los termopares y la NASA lo ha usado junto con isotopo nuclear  en numerosos proyectos como el Apolo o el Voyager para alimentar eléctricamente a los diferentes sistemas. Pero durante los últimos años algunos fabricantes de coches han empezado a usarlas para el reciclado de energía, colocándolas en el tubo de escape y obteniendo una energía eléctrica que en otro caso sería malgastada, pudiendo además suprimir el alternador del motor y aumentar su eficiencia.

Esta aplicación puede ser exportada a aeronaves, ya que, mientras el avión se encuentra volando en la troposfera, la temperatura exterior es cercana a los -50ºC, mientras que algunas partes de la aeronave pueden alcanzar temperaturas del orden de varios centenares de grados. Por ejemplo, en la salida de gases de un turbohélice (que se encuentra a unos 450ºC de temperatura), cada pequeño módulo de menos de 50 gramos de peso, teniendo una buena eficiencia, podría llegar a generar unos 30 W de energía, y colocando varios módulos se podría llegar a obtener una cantidad de energía eléctrica considerable.

Reciclaje de energía en la aeronave

Esquema de sistema termoeléctrico. Imagen bajo licencia CC. Autor: Ken Brazier.

 

Por otra parte, algunos cristales son capaces de producir energía eléctrica cuando alguna de sus caras es sometida a una deformación. Este efecto es denominado efecto piezoeléctrico. Por tanto, este tipo de dispositivos es capaz de transformar vibraciones y sonidos en energía eléctrica, dos formas de energía muy presente en las aeronaves.

Sin embargo, la cantidad de energía que obtenemos con estos dispositivos es muy pequeña si la comparamos con los requisitos eléctricos de las aeronaves, por tanto debemos utilizar esta energía hacía un nuevo concepto: las redes de sensores inalámbricas. Estas redes están apareciendo cada vez más en nuestro día a día debido a su uso en el denominado Internet de las cosas, aunque su uso puede externalizarse hacia la industria aeronáutica.

Varios estudios han desarrollado ideas interesantes de estas redes de sensores inalámbricas como puede ser monitorizar factores como la salud estructural de las alas o de los motores, un sistema capaz de controlar el avión sin necesidad de cables o simplemente sistemas como detectores de humo en cabina.

Reciclaje de energia en la aeronave

Estructura del ala. Wikimedia Commons.

Estas redes de sensores parten de pequeños nodos formados por sensores, un pequeño microprocesador, una antena, una batería y un dispositivo piezoeléctrico colocados en las zonas donde se requieran para medir y mandar la información obtenida de forma inalámbrica. De esta manera, los cables son suprimidos, disminuyendo el peso en las aeronaves y mejorando su eficiencia. Por ejemplo, un Cessna 310R, fue capaz de incrementar su alcance un 10% gracias a sustituir el sistema de control por cables por esta redes de sensores.
Actualmente, Altran, investiga, a través de la solución de I+D de la división ASD, en la aplicación de sistemas nuevos sistemas eléctricos estudia la viabilidad de estos dispositivos de reciclado de energía para el aumento de la eficiencia de la aeronave. Por ejemplo, en el proyecto ELERPAS (Extremely Long Endurance RPAS), que consiste en el diseño de un RPAS de menos de 25 kg de peso que tenga una autonomía de 24 horas, se está buscando lograr ser lo más eficiente posible y, para ello, se está investigando sobre la implementación de termoeléctricos  para el reciclado de energía.
Finalmente, otras compañías están estudiando otras formas de reciclado de energía. Por ejemplo Airbus ha pensado que cada persona emite, en forma de calor, unos 100W, suficiente para poder alimentar una televisión LED de 40 pulgadas. En una aeronave del tamaño de un A380, capaz de transportar 800 pasajeros, la cantidad de energía obtenida puede ser muy grande, aunque a día de hoy estos dispositivos no suficientemente eficientes como para rentabilizar su instalación.

Referencias

Dispositivos termoeléctricos de Toshiba: http://www.toshiba-tosp.co.jp/tosp/eng/products/industryparts.html

Kiefer. Real-world experience in wireless instrumentation and control systems: https://caneus.org/fbw/downloads/2007/KieferBriefing.pdf

Airbus: Captación de energía en aeronaves: http://www.airbus.com/innovation/future-by-airbus/future-energy-sources/energy-harvesting/

Imagen destacada: Interior de aeronave. Freepik. Autor: jannoon028

 

Autores:

AeronáuticaJorge Font Castro

Graduado en Ingeniería Mecánica y Máster en RPAS, ambos por la Universidad de Huelva. Actualmente trabajando en el área de i+d de Altran ASD, en el recién comenzado proyecto ELERPAS (Extremely-Long Endurance RPAS).

 

AeronáuticaJesús Barba González

Graduado en Ingeniería Aeroespacial en la especialidad de Navegación y Sistemas Aeroespaciales y estudiante del Master de Electrónica Industrial (UPM). Comenzando su trayectoria profesional en el área de i+d de Altran AS&D, donde da soporte eléctrico y electrónico al proyecto ARIS. Apasionado por la electrónica y la innovación.


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