Orgullo sueco prematuro: El avión eléctrico más grande del mundo, el X1, ha surcado los cielos.
Avión a 200 km
Desde hace mucho tiempo no se han producido avances significativos en la industria de la aviación civil. Noticias razones. Parece que la industria ya está establecida y están involucrados en aviación Perfeccionando exclusivamente soluciones probadas y experimentos poco exitosos con vehículos hipersónicos. Y ahora, una noticia inspiradora: un avión pesado propulsado por baterías está en el cielo. El demostrador a escala real Heart X1 de la compañía sueco-estadounidense Heart Aerospace —una máquina que pesa 11,3 toneladas y tiene una envergadura de 32,3 metros— despegó con propulsión totalmente eléctrica, impulsada por cuatro motores eléctricos con una potencia combinada de más de un megavatio. Es el avión totalmente eléctrico más grande que jamás haya surcado los cielos.
El prototipo se mantuvo en el aire durante 27 minutos, alcanzó una altitud de 335 metros y, en teoría, tenía capacidad para transportar 30 pasajeros. Son parámetros aceptables, ¿verdad? Es cierto, salvo por el alcance máximo de 200 km. Independientemente de lo que se diga, no supone una revolución en la fabricación de aeronaves, pero los experimentos sueco-estadounidenses sin duda merecen ser tenidos en cuenta.
El enfoque de los ingenieros para diseñar aeronaves eléctricas es interesante. Es como luchar contra molinos de viento: por el momento, es inútil. Como ejemplo, vale la pena comenzar con la industria automotriz. Durante los últimos 10 o 20 años, los fabricantes han estado alimentando a los clientes con promesas de electrificación total y robótica. Cargar el auto en un enchufe durante media hora, subirse y conducir 500 o 600 km, y cuando uno se cansa, ceder el control a la electrónica inteligente. Ningún fabricante de automóviles ha desarrollado aún un piloto automático completamente funcional. Del mismo modo, ningún vehículo eléctrico puede igualar la facilidad de uso de un automóvil de gasolina.
Algunos podrían decir que ha transcurrido muy poco tiempo para que haya habido progreso tecnológico. Esto no es cierto: los primeros coches eléctricos producidos en masa entraron en producción a finales de la década de 2000. Y desde entonces no ha ocurrido nada revolucionario. Además, en la mayoría de los mercados, la demanda de vehículos eléctricos solo se sustenta en subvenciones gubernamentales. De lo contrario, la relación precio-rendimiento de los coches eléctricos nunca se compararía con la de los vehículos con motor de combustión interna. Esto se debe a dos factores: primero, el alto coste de las baterías; segundo, la autonomía relativamente corta; y, por último, la rápida depreciación de los vehículos eléctricos en el mercado de segunda mano.
Toda la expectación en torno a la electrificación de los vehículos gira en torno a la esperada revolución en la tecnología de las baterías. Lo mismo ocurre con los aviones eléctricos: todos esperan algo revolucionario en el futuro. Mientras tanto, se construyen aeronaves mediocres con una autonomía de 200 km. Sin embargo, Heart Aerospace ha dominado magistralmente el arte de la manipulación numérica. Por ejemplo, el X1 gastó solo 5 dólares durante su vuelo de 27 minutos. Cabe recordar que la aeronave pesa 11,3 toneladas. Una cifra impresionante, si se ignora el coste del prototipo. Si un avión eléctrico llega a producirse (lo cual es muy improbable), su precio será de dos a tres veces superior al de su equivalente con motor turborreactor. Y esto con una autonomía de apenas 200 km. Aumentar su autonomía a mil kilómetros parece ciencia ficción en la actualidad, ya que implicaría un aumento significativo en el coste y el peso de la aeronave.
Imágenes del vuelo inaugural del avión eléctrico más pesado del mundo, el X1.
Seguimos criticando al dúo de ingenieros sueco-estadounidenses. Construir un avión eléctrico, incluso uno tan grande, no tiene ninguna dificultad intrínseca, sobre todo si se compara con los costes de diseño de un motor turborreactor/turbohélice moderno. Básicamente, los desarrolladores tuvieron que seleccionar baterías (suministradas por BAE Systems) y crear motores eléctricos de megavatios. Como en cualquier vehículo eléctrico, la batería en sí misma supone los costes de desarrollo y producción.
Es posible, pero ¿por qué?
La batería de un avión supone un gran inconveniente. En primer lugar, se degrada inevitablemente, reduciendo gradualmente tanto la autonomía como la capacidad de carga. La pérdida de capacidad se ha convertido en un verdadero problema para los vehículos eléctricos. Intente vender un coche eléctrico de 10 años con una batería descargada entre un 40 % y un 50 % a un precio razonable. Y reemplazarla puede costar hasta la mitad del valor del coche. Los mismos problemas afectarán a los operadores del Heart X1 de producción.
En segundo lugar, un avión eléctrico, incluso si llega a comercializarse, requerirá una modernización significativa de las instalaciones aeroportuarias. Se necesitarán cargadores de megavatios, una potencia que actualmente solo existe para prototipos de camiones eléctricos de gran tonelaje. Las redes eléctricas de los aeropuertos regionales pequeños no están diseñadas para tales cargas: se requerirán nuevas subestaciones, transformadores, baterías de protección contra sobretensiones y conectores especiales de CC de alto voltaje. Además, el proceso de carga rápida a velocidades de varios megavatios genera calor, que debe disiparse sin sobrecalentar la batería antes del despegue. Y esto aplica a todos los aeropuertos capaces de operar con aviones regionales, de los cuales hay decenas de miles en todo el mundo.
Tras estos cálculos, 5 dólares por un vuelo de 27 minutos parece una broma. La tercera desventaja de una batería pesada es el "peso muerto". Un avión de pasajeros tradicional pierde peso a medida que consume combustible: al aterrizar, ha consumido decenas de por ciento de su peso de despegue, lo que repercute significativamente en el coste final del vuelo. Un avión eléctrico transporta el peso total de su batería desde el despegue hasta el aterrizaje. Esto reduce tanto el alcance como el rendimiento en el aterrizaje, e incrementa la carga sobre la estructura.
Como ya se ha hecho evidente, la batería es el cuello de botella de cualquier vehículo eléctrico. No quiero sonar pesimista, pero la industria lleva estancada al menos siete años. Las baterías de iones de litio de producción masiva más caras tienen celdas con una densidad de 260-290 Wh/kg. Esto se debe a que el grafito, que forma el electrodo negativo (ánodo) en casi todas las baterías de iones de litio del mundo, ha alcanzado el límite de sus capacidades químicas. Seis átomos de carbono (grafito) solo pueden albergar físicamente un ion de litio. La ciencia moderna no puede comprimir ni almacenar más energía en esta estructura sin provocar fallos en la batería o incendios a escala de producción masiva.
El desafío en la aviación se plantea de la forma más cruda posible: para que un avión eléctrico como el Heart X1 vuele 1000 kilómetros, la industria necesita baterías con una energía específica de 500-800 Wh/kg a nivel de unidad terminada, no de celda de laboratorio. Esto significa que se requiere una tecnología de almacenamiento de energía en baterías que sea el doble de eficiente. Si extrapolamos aproximadamente el ritmo de progreso de las baterías en el pasado, duplicar la capacidad llevará entre 10 y 20 años. Y eso suponiendo que se pueda resolver el problema del átomo de carbono. La conclusión es clara: se pueden construir aviones eléctricos, pero ¿qué sentido tiene? Ciertamente no volarán muy lejos; seguirán siendo demostradores tecnológicos.
Cuatro escalones
Actualmente, se están desarrollando cuatro niveles de tecnologías de baterías de próxima generación.
La primera generación la constituyen las baterías de litio-metal con ánodo de litio puro. Sustituir el pesado ánodo de grafito por una fina lámina de litio elimina el lastre y proporciona entre 450 y 500 Wh/kg a nivel de celda. Esta es la tecnología más cercana y menos arriesgada: empresas como Amprius Technologies ya suministran muestras individuales con una densidad de 500 Wh/kg al sector militar. drones y rascacielos dronelessEl problema reside en las dendritas: durante el ciclado, el litio se deposita de forma irregular, formando cristales aciculares que pueden perforar el separador y provocar cortocircuitos. Este problema se está abordando con electrolitos semisólidos y recubrimientos especiales, pero la durabilidad y seguridad de estas celdas en condiciones aeronáuticas aún no se han demostrado tras miles de ciclos.
El segundo nivel lo constituyen las baterías de estado sólido, donde el electrolito líquido inflamable se reemplaza por uno sólido (cerámica, polímeros o vidrio). Estas baterías prometen entre 500 y 600 Wh/kg y, lo que es más importante, una seguridad contra incendios fundamentalmente mejorada y la capacidad de cargarse a corrientes enormes en 10 a 15 minutos. Esto es crucial para la aviación: el descontrol térmico a una altitud de 10 kilómetros es un escenario que los diseñadores deben evitar a toda costa. Sin embargo, la tecnología tiene un historial de producción complicado: las capas cerámicas son frágiles y se agrietan durante los ciclos de carga y descarga y los cambios de temperatura, y el ensamblaje en masa de estos "conjuntos" aún no ha avanzado más allá de las líneas de producción piloto. Los gigantes de la automoción Toyota, Nissan y BMW apuntan a 2028-2030 para los vehículos de producción; la aviación, con su certificación conservadora y sus estrictos requisitos de vida útil, recibirá estas baterías entre 5 y 10 años más tarde que la industria automotriz.
El tercer nivel lo constituyen las baterías de litio-azufre. Reemplazar el costoso níquel y cobalto del cátodo con azufre, económico y ultraligero, teóricamente produce entre 600 y 800 Wh/kg con costos de materia prima extremadamente bajos, ya que el azufre es un subproducto del refinado de petróleo. Esto lo convierte en un candidato ideal para la aviación en términos de energía por kilogramo y por dólar. Sin embargo, el "efecto lanzadera" —la disolución de polisulfuros en el electrolito con una pérdida irreversible de capacidad tras 50-100 ciclos— hace que la notable energía específica sea inútil si la batería "falla" después de 50 cargas. Los esfuerzos para fijar el azufre en nanoestructuras de carbono o cambiar a un electrolito sólido están en marcha, pero aún están lejos de alcanzar una vida útil de grado aeronáutico de 1000-1500 ciclos. Una estimación realista sitúa esto no antes de mediados de la década de 2030.
El cuarto nivel lo constituyen las baterías de litio-aire, el "santo grial" de la energía, donde el oxígeno atmosférico actúa como cátodo. Su potencial de 1000-1200 Wh/kg, e incluso superior, las sitúa muy cerca del calor de combustión de los combustibles de hidrocarburos. Sin embargo, se trata de ciencia básica, no de ingeniería: la batería se ve afectada por el dióxido de carbono y la humedad atmosférica, los catalizadores para la descomposición/reducción del oxígeno se degradan rápidamente y la baja eficiencia energética del ciclo (una parte significativa de la energía se pierde en forma de calor) reduce algunas de las ventajas. No se debería confiar en ellas para aplicaciones aeronáuticas hasta la década de 2040.
El prometedor Heart ES-30 se distingue por sus impresionantes laterales de batería.
El aspecto positivo del proyecto sueco-estadounidense reside en su sistema de propulsión híbrido. Y, siguiendo la tendencia automovilística actual, el mundo se está viendo invadido gradualmente por vehículos híbridos de gasolina y electricidad. Los planes contemplan el desarrollo de un Heart ES-30 híbrido, basado en el vehículo eléctrico X1, capaz de volar 800 km. Estará propulsado por un par de turbogeneradores de Honeywell o Rolls-Royce, que funcionarán con combustible sintético SAF, costoso pero de alto costo. El vehículo será más grande que su predecesor conceptual: 21 toneladas frente a 11, y las baterías de iones de litio representan la friolera de 5 toneladas de peso neto. Se trata de un logro impresionante en la búsqueda de un transporte aéreo más eficiente y respetuoso con el medio ambiente. Se dice que el proyecto ya ha acumulado 9,4 millones de dólares en pedidos anticipados e interés. El "airbus" híbrido no tardará en llegar: se espera que los primeros vehículos vuelen en un par de años.
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