La revolución eVtol

Embraer X eVtol

 

La Vertical Flight Society tiene registrados más de 300 proyectos en un directorio que abrió en el año 2016 para consignar los nuevos programas de aeronaves de despegue vertical eléctricas (eVtol). La mayor parte de estas iniciativas se ha orientado para cubrir las necesidades de flota de las futuras empresas que presten servicio de taxi aéreo en núcleos urbanos, cuyo inicio de operaciones en algunas ciudades se estima que ocurrirá en 2023; sin embargo, hay otras que pretenden introducir aviones para el transporte de carga o aeronaves para prestar servicios de atención médica o extinción de incendios. Todos estos aparatos, son eléctricos, algunos híbridos, y tiene capacidad de despegar y aterrizar verticalmente. Se estima que la inversión global de estas actividades, en la actualidad, es del orden mil millones de dólares anuales: una cifra considerable. Los emprendedores no constituyen un grupo homogéneo de personajes estrafalarios, entre ellos se cuentan los grandes fabricantes de aviones y multinacionales de la automoción.

Hasta ahora, los aviones se han reservado para transportar pasajeros y mercancías en rutas de larga distancia o que atraviesan áreas cuya comunicación por mar o tierra resulta difícil. La ventaja de su rapidez se ha visto perjudicada por varios factores: la necesidad de una infraestructura costosa y rígida para los aterrizajes y despegues, la complejidad asociada a su pilotaje, el control del tráfico aéreo, el ruido y los vertidos de gases contaminantes a la atmósfera. Estos inconvenientes han confinado el uso masivo de la aviación a desplazamientos largos o en recorridos poco aptos para otros modos de transporte. Las características de las aeronaves eléctricas, de despegue y aterrizaje vertical, junto con otras mejoras tecnológicas, permiten soslayar los principales elementos que hasta la fecha han impedido el uso de aviones en rutas de corto recorrido. Centenares de emprendedores, en casi todo el mundo, así lo ha entendido y se han lanzado a desarrollar máquinas de volar para el transporte público urbano, con el objetivo a medio plazo de abordar el transporte público de cercanías con autobuses aéreos, el transporte aéreo de carga de corto y medio recorrido, y otras aplicaciones de servicio público que exijan un movimiento rápido de personas y equipos. Un poco más allá, casi todos estos visionarios presagian el advenimiento de la aviación personal, con vehículos cuya funcionalidad se aproximará a la de los actuales automóviles, pero capaces de moverse por el aire y a gran velocidad.

Casi todos los nuevos desarrollos emplean, para despegar y aterrizar verticalmente, configuraciones con varios motores eléctricos, de forma que el fallo de alguno de ellos no comprometa la seguridad de la maniobra. Para el vuelo horizontal, la mayoría dispone de alas y muchos cuentan con paracaídas balísticos. Aunque estas aeronaves se podrán pilotar, en un principio, manualmente, sus diseñadores son conscientes de la necesidad de equiparlas con dispositivos automáticos de vuelo que incluyan sistemas para evitar colisiones.

Es razonable suponer que la navegación y la gestión del tráfico aéreo de estas aeronaves se lleve a cabo de forma automática, con una intervención mínima por parte de los pilotos. La obtención de una licencia para manejar un avión eléctrico de despegue y aterrizaje vertical (eVtol) no debería plantear un nivel de dificultad superior a la de los carnés de conducir automóviles. Una vez que el aparato esté en condiciones de despegar el piloto deberá introducir, mediante una clave alfanumérica, las coordenadas exactas de su destino. El manejo del eVtol será muy sencillo. El sistema de navegación y control solicitará, de forma automática una trayectoria, libre de obstáculos, al sistema de gestión del espacio aéreo. El despegue se producirá de forma automática, al igual que el vuelo ya que el navegador del eVtol será capaz de ejecutar la trayectoria asignada, con sus correcciones posteriores, si las hubiera, y efectuar el aterrizaje sin intervención del piloto. Tan solo, en situaciones críticas, por averías o incidencias a bordo, el piloto podrá ejecutar un aterrizaje de emergencia, siempre auxiliado por el navegador del eVtol.

Pilotar uno de estos aparatos deberá ser más sencillo y más seguro que conducir un automóvil. Con casi toda seguridad, los primeros eVtol necesitarán un piloto a bordo, dotado de una licencia similar a la que hoy se exige para manejar un helicóptero, porque es la forma más rápida para conseguir la autorización administrativa necesaria para iniciar las operaciones de estos aparatos; pero, en pocos años, se certificarán sistemas de pilotaje y gestión del tráfico aéreo automáticos, con los que se relajarán los requisitos para el manejo de los eVtol. La tecnología actual está en condiciones de producir equipos de navegación y gestión del tráfico aéreo para estas máquinas completamente automáticos y con el nivel de seguridad exigible. Las dificultades se encuentran, en mayor medida, del lado de la definición de estándares y requisitos, por parte de las autoridades aeronáuticas, para la implantación práctica de los sistemas. La operación de estos aviones no tiene por qué entrar en conflicto con la navegación aérea convencional ya que se hará a baja altura y en espacios no concurrentes. La gestión completamente automatizada, del tráfico aéreo eVtol, permitirá conducirlo por un conjunto de aerovías, al igual que las carreteras terrestres, para causar el menor impacto posible sobre la población.

Todos los proyectos recientes de aeronaves eVtol que he podido analizar utilizan baterías. La principal limitación de cualquier vehículo eléctrico con baterías es su autonomía (tiempo de operación), o su alcance (distancia máxima a la que puede llegar). Para evaluar la viabilidad práctica de los eVtol, a corto y medio plazo, debemos hacernos una pregunta sencilla: ¿cuál es el alcance máximo teórico de una aeronave eléctrica, con la tecnología actual, y que perspectiva de mejora es previsible hasta el año 2050?

Aunque la potencia necesaria para despegar y aterrizar es muy superior a la que se requiere para efectuar el vuelo horizontal, la duración de estas maniobras es corta y, en una primera aproximación, podemos despreciar el consumo energético durante estas fases para estimar el alcance máximo del eVtol. Con este supuesto, el alcance depende de la densidad energética de las baterías (cantidad de energía que almacenan por unidad de peso), del rendimiento de los motores eléctricos y las hélices de los rotores, de la relación entre sustentación y resistencia durante el vuelo de planeo, del porcentaje del peso del avión vacío (sin carga de pago ni baterías) sobre el peso total de la aeronave en el despegue (con carga de pago y baterías) y del porcentaje que suponga la carga de pago en relación con el peso total del aparato. Con respecto a este último punto, es evidente que, si toda la carga que puede transportar el eVtol la dedicamos a mover las baterías, el alcance será máximo, pero la aeronave no tendrá ninguna utilidad práctica. Podemos asumir que, como mínimo, el 20% del peso del avión, al despegue, se utilizará para transportar pasajeros, carga y la tripulación, si fuera necesaria.

Los tres parámetros que condicionarán, en mayor medida, el alcance máximo de los futuros eVtol, son: la densidad energética de las baterías, el peso de la estructura del aparato y la configuración aerodinámica del diseño.  Con los años, los motores eléctricos y rotores mejorarán el rendimiento y reducirán su peso, pero el impacto en las prestaciones de estas aeronaves no será muy significativo. En cuanto a la densidad energética de las baterías, para la presente década cabe suponer que será del orden de unos 250 vatios hora por kilogramo de peso y es posible que en la década de los años 2030 alcancen los 325 vatios hora por kilogramo, una cifra próxima al máximo valor teórico de la tecnología para las baterías ion-litio. Construir baterías cuya densidad energética supere estas cifras implica un cambio de tecnología, del ion-litio a alguno de sus posibles sucesores, por lo que hasta la década del 2050 lo más razonable es suponer que las baterías comerciales no tendrán una densidad energética superior a los 400 vatios hora por kilogramo. El peso de la estructura del avión, sin baterías ni carga de pago, es decir, el peso necesario de la máquina de volar para soportar las baterías, pasajeros y carga, depende de los materiales que se empleen en su construcción. En la actualidad, en las aeronaves convencionales el peso en vacío supone entre un 70% y un 50% del peso máximo de despegue. Más en los aviones pequeños y menos en los grandes que hacen un uso mayor de materiales compuestos: Boeing 787-9 Dreamliner (51%) y Airbus A350-900 (51%). Los fabricantes de los eVtol tendrán que hacer un esfuerzo para que este parámetro esté por debajo del 50%, lo que en la actualidad es posible, así como mejorarlo en el futuro para reducirlo hasta un 30%. El tercer parámetro que condiciona el alcance máximo del eVtol es su configuración aerodinámica, que durante el vuelo horizontal determina la relación entre sustentación y resistencia de la aeronave. Las alas estrechas y alargadas favorecen que este parámetro pueda aproximarse a 12 o 15, mientras que alas más cuadradas lo limitarán a valores del orden de 4 a 8. Sin embargo, la misión del eVtol y el entorno pueden constreñir las configuraciones de ala idóneas para el vuelo horizontal.

A la vista de todo lo anterior, creo que es razonable afirmar que desde ahora y hasta el año 2050 se podrán construir y operar aviones eVtol, completamente autónomos y seguros, cuyo alcance máximo estará comprendido entre los 100 y los 600 kilómetros (1); la velocidad de crucero de estos aparatos variará en la franja 150-500 kilómetros por hora y su peso máximo de despegue será de unos 1000 kilogramos para los que lleven dos pasajeros y unos 20 000 kilogramos para vehículos pesados capaces de mover hasta 60 pasajeros o carga.

Estas aeronaves se introducirán en un segmento del transporte en el que hasta ahora la aviación ha operado con grandes limitaciones. Si bien, es del todo absurdo suponer que los aviones eléctricos con baterías, podrán sustituir algún día a las actuales aeronaves comerciales en rutas de más de 600 kilómetros, los eVtol irrumpirán con fuerza en muchos segmentos del transporte de pasajeros y carga en distancias cortas, hasta ahora reservadas a los vehículos terrestres.

Los gobiernos tienen en este momento una excelente oportunidad para favorecer la implantación de desarrollos eVtol. Una forma de contribuir a los mismos en un país, pasaría por financiar en algún área geográfica la infraestructura necesaria de control de la gestión del tráfico aéreo eVtol, construcción de un número limitado de prototipos y el plan de pruebas para validar el concepto operativo. En pocos años, la zona elegida dispondría de una conectividad extraordinaria. Sería una potente herramienta de cohesión en lo que se denominan regiones vaciadas.

 

Diseño 1

Densidad energética de las baterías: 250 vatios hora/kilogramo

Carga de pago/Peso máximo de despegue: 20%

Rendimiento de motores y rotores: 74%

Rendimiento aerodinámico (L/D): 6

Peso del avión vacío/Peso total despegue: 50%

 

Alcance máximo: 97 km

 

 

Diseño 2

Densidad energética de las baterías: 400 vatios hora/kilogramo

Carga de pago/Peso máximo de despegue: 20%

Rendimiento de motores y rotores: 74%

Rendimiento aerodinámico (L/D): 15

Peso del avión vacío/Peso total despegue: 30%

 

Alcance máximo: 650 km

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