Científicos suizos planean construir un potente motor de hidrógeno para impulsar la aviación verde

En el futuro, los aviones propulsados por hidrógeno recorrerán el mundo. Para que esto sea posible, los ingenieros tienen que desarrollar los motores a reacción que los propulsarán, diferentes a los actuales, que están optimizados para quemar queroseno. Científicos de la ETH-Zurich se han puesto manos a la obra.

Por Enrique Coperías

Imagen conceptual generada con DALL-E

Europa se prepara para acometer un vuelo climáticamente neutro propulsado por hidrógeno producido de forma sostenible. El año pasado, la Unión Europea puso en marcha un proyecto para ayudar a la industria y las universidades a desarrollar un avión de medio recorrido propulsado por hidrógeno.

Entre otras cosas, habrá que adaptar los motores a reacción para que funcionen con el nuevo combustible. Los motores actuales están optimizados para quemar queroseno.

«El hidrógeno arde mucho más rápido que el queroseno, por lo que las llamas son más compactas —explica Nicolas Noiray, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH-Zurich), en una nota de prensa emitida por esta universidad. Y añade—: Esto hay que tenerlo en cuenta a la hora de diseñar motores de hidrógeno».

Los experimentos del equipo de Noiray proporcionan ahora una base importante para ello. El equipo acaba de publicar sus resultados en la página externa de la revista Combustion and Flame.

Problemas con las vibraciones

Uno de los problemas son las vibraciones, que los ingenieros intentan minimizar. En los motores a reacción típicos, unas veinte toberas de inyección de combustible están dispuestas alrededor de la cámara de combustión anular del motor.

La combustión turbulenta del combustible genera ondas sonoras. Estas ondas se reflejan en las paredes de la cámara y tienen un efecto de retroalimentación sobre las llamas. Este acoplamiento entre la onda sonora y las llamas podría dar lugar a vibraciones que inducirían una fuerte carga en la cámara de combustión del motor.

«Estas vibraciones pueden fatigar el material, lo que en el peor de los casos podría provocar grietas y daños —comenta Abel Faure-Beaulieu, antiguo investigador postdoctoral del grupo de Noiray. Y continúa—: Por eso, cuando se desarrollan nuevos motores, se procura que estas vibraciones no se produzcan en condiciones de funcionamiento».

Las toberas de inyección para motores de hidrógeno se prueban en esta cámara en la ETH-Zurich. Los investigadores pueden replicar las condiciones reales a altitud de crucero. Imagen: Nicolas Noiray / ETH-Zurich

Cuando los ingenieros desarrollaron los motores de queroseno actuales, tuvieron que controlar estas vibraciones. Para ello, optimizaron la forma de las llamas, así como la geometría y la acústica de la cámara de combustión. Sin embargo, el tipo de combustible influye mucho en las interacciones entre el sonido y la llama.

Esto significa que los ingenieros e investigadores deben asegurarse ahora de que no se produzcan en un nuevo motor de hidrógeno. Un complejo sistema de pruebas y mediciones de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich permite a Noiray medir la acústica de las llamas de hidrógeno y predecir posibles vibraciones. En el marco del proyecto HYDEA de la UE, en el que participa junto con GE Aerospace, prueba las toberas de inyección de hidrógeno fabricadas por la empresa.

Comportamiento acústico de las llamas de hidrógeno

«Nuestra instalación nos permite reproducir las condiciones de temperatura y presión de un motor a altitud de crucero», explica Noiray. Los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich también pueden recrear la acústica de varias cámaras de combustión, lo que permite una amplia gama de mediciones. «Nuestro estudio es el primero de este tipo que mide el comportamiento acústico de las llamas de hidrógeno en condiciones reales de vuelo», dice Noiray.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron una sola tobera y luego modelizaron el comportamiento acústico del conjunto de toberas tal y como se dispondría en un futuro motor de hidrógeno. El estudio está ayudando a los ingenieros de GE Aerospace a optimizar las toberas de inyección y a preparar el camino para un motor de hidrógeno de alto rendimiento.

Llama de una boquilla de inyección de hidrógeno. Imagen: Nicolas Noiray / ETH-Zurich

Transporte «verde» a los aeropuertos

Dentro de unos años, el motor debería estar listo para las primeras pruebas en tierra y, en el futuro, podría propulsar los primeros aviones alimentados con hidrógeno.

Sin duda alguna, el hidrógeno es una alternativa sostenible para la aviación del futuro. No hay que olvidar que la mayoría de los vehículos terrestres pueden electrificarse con baterías; sin embargo, las baterías son demasiado pesadas para aviones de alto rendimiento.

Almacenar en tanques criogénicos el hidrógeno necesario para transportar a doscientos pasajeros durante miles de kilómetros pesa al menos treinta veces menos que almacenarlo en baterías. «En las próximas décadas, solo los aviones pequeños con una capacidad de carga muy baja serán impulsados por baterías —dice Noiray. Y añade—: Para los aviones de pasajeros y de carga, los combustibles sintéticos son la única alternativa al queroseno actual, y el hidrógeno es el más económico de producir de forma sostenible».

Noiray no cree que el desarrollo de los motores o de los depósitos de hidrógeno para los aviones sea el mayor reto para la transición de la aviación a la era del hidrógeno. «La humanidad ha llegado a la Luna; los ingenieros podrán, sin duda, desarrollar aviones de hidrógeno», afirma Noiray.

Pero los aviones por sí solos no bastan. Otro reto importante, según Noiray, es crear toda la infraestructura para la aviación del hidrógeno, incluida la producción de hidrógeno neutro para proteger el clima en cantidades suficientes y su transporte a los aeropuertos. Conseguirlo en un plazo razonable exige un esfuerzo concertado desde ahora. ▪️

• Información facilitada por la ETH-Zurich

• Fuente: Faure Beaulieu A., Dharmaputra B., Schuermans B., Wang G., Caruso S., Zahn M. Noiray N. Measuring acoustic transfer matrices of high-pressure hydrogen/air flames for aircraft propulsion. Combustion and Flame. (2024). DOI: external page10.1016/j.combustflame.2024.113776