Los aviones propulsados por hidrógeno están a punto de conquistar el mundo en el futuro. Para que esto fuera posible, los ingenieros tuvieron que desarrollar motores a reacción que los impulsaran. Los experimentos de investigadores de la ETH Zurich proporcionan ahora la base necesaria para hacer que estos motores sean potentes y duraderos.
Europa se está preparando para vuelos climáticamente neutros propulsados por hidrógeno producido de forma sostenible. El año pasado, la Unión Europea lanzó un proyecto para ayudar a la industria y las universidades a desarrollar aviones de media distancia propulsados por hidrógeno. Entre otras cosas, los motores a reacción deberán adaptarse para funcionar con el nuevo combustible. Los motores actuales son adecuados para quemar queroseno.
“El hidrógeno se quema más rápido que el queroseno, lo que produce llamas más compactas”, explica el profesor Nicolas Noire del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la ETH Zurich. Esto hay que tenerlo en cuenta a la hora de diseñar motores de hidrógeno. Las experiencias del equipo de Noiray proporcionan ahora una base importante para ello. El equipo acaba de publicar sus hallazgos en la revista. Combustión y llama.
Un problema es la vibración, que los ingenieros intentan reducir. En los motores a reacción típicos, aproximadamente veinte boquillas de inyección de combustible están dispuestas alrededor de la cámara de combustión anular del motor. Allí, la combustión turbulenta del combustible genera ondas sonoras. Estas ondas son reflejadas por las paredes de la cámara y reaccionan con las llamas. Este acoplamiento entre la onda sonora y las llamas puede provocar vibraciones que ejercerán una gran carga sobre la cámara de combustión del motor. “Esta vibración puede fatigar el material, lo que en el peor de los casos puede provocar grietas y daños”, afirma Abel Faure-Beaulieu, ex investigador postdoctoral del grupo de Noire. “Por eso, cuando se desarrollan nuevos motores, se tiene cuidado de garantizar que estas vibraciones no se produzcan en condiciones de funcionamiento”.
Condiciones simuladas a altitud de crucero.
Cuando los ingenieros diseñaron los motores de queroseno actuales, tuvieron que controlar estas vibraciones. Lo lograron optimizando la forma de la llama, así como la geometría y la acústica de la cámara de combustión. Sin embargo, el tipo de combustible tiene un gran efecto en la interacción entre el sonido y la llama. Esto significa que los ingenieros e investigadores ahora deben asegurarse de que no se produzcan en el nuevo motor de hidrógeno. Una amplia instalación de prueba y medición en ETH Zurich permite a Noiray medir la acústica de las llamas de hidrógeno y predecir posibles vibraciones. Como parte del proyecto europeo HYDEA, en el que participa con GE Aerospace, prueba boquillas de inyección de hidrógeno desarrolladas por la empresa.
“Nuestras instalaciones nos permiten simular las condiciones de temperatura y presión del motor a altitud de crucero”, explica Noire. Los investigadores de ETH también pueden reproducir la acústica de diferentes cámaras de combustión, lo que permite una gama más amplia de mediciones. “Nuestro estudio es el primero de este tipo en medir el comportamiento acústico de las llamas de hidrógeno en condiciones de vuelo reales”.
En sus experimentos, los investigadores utilizaron una única boquilla y luego modelaron el comportamiento acústico de un conjunto de boquillas tal como se configurarían en un futuro motor de hidrógeno. El estudio está ayudando a los ingenieros de GE Aerospace a mejorar las boquillas de inyección y allanar el camino para los motores de hidrógeno. En unos años, el motor debería estar listo para las pruebas iniciales en tierra y, en el futuro, podría impulsar el primer avión propulsado por hidrógeno.
El profesor Noire de ETH no considera que el desarrollo de motores de avión o el desarrollo de tanques de hidrógeno sean los mayores desafíos para llevar la aviación a la era del hidrógeno. “La humanidad ha volado a la Luna; los ingenieros sin duda podrán desarrollar aviones de hidrógeno”, afirma. Pero los aviones por sí solos no son suficientes. Otro gran desafío, dice Noire, es establecer toda la infraestructura para la aviación de hidrógeno, incluida la producción de suficiente hidrógeno climáticamente neutro y su transporte a los aeropuertos. Ahora se requiere un esfuerzo concertado para lograrlo en un plazo razonable.
