Por qué no existen aún aviones eléctricos (y cuándo estarán en el mercado)

• Los coches eléctricos se presentan como una de las soluciones más lógicas para lograr una movilidad sostenible en entornos urbanos.
• Esta electrificación ya ha sido probada en aviones para transportes a larga distancia, pero aún queda mucho para que estén en el mercado.
• Varios expertos explican por qué aún no existen los aviones eléctricos.

Cuando los coches y camiones eléctricos cada vez están más presentes en las carreteras de EEUU, surge una cuestión: ¿cuándo serán comercialmente viables los vehículos eléctricos en los cielos? Hay una serie de ambiciosos proyectos para construir aviones eléctricos, incluyendo jets de cortas distancias y aviones que pueden cubrir grandes distancias. La electrificación empieza a hacer posible un tipo de transporte aéreo que muchos han estado esperando, pero que jamás se ha visto: el coche volador.

Un reto clave a la hora de construir una aeronave eléctrica es cuánta energía puede ser almacenada en una cantidad determinada de peso para ser la fuente de energía a bordo. Aunque las mejores baterías almacenan unas 40 veces menos energía por unidad de peso que un jet a gasolina, una parte mayor de su energía está disponible para conseguir el movimiento. En última instancia, para un peso concreto, el jet a gasolina contiene unas 14 veces más energía útil que una batería de iones de litio de vanguardia.

Esto hace que las baterías sean demasiado pesadas para los aviones. Las compañías aéreas ya están preocupadas por el peso, imponiendo tasas al equipaje en parte para limitar cuánto pueden transportar los aviones. Los vehículos terrestres pueden llevar baterías más pesadas, pero las preocupaciones al respecto son similares. Nuestro grupo de investigadores ha analizado la relación entre el peso y la energía en camionetas y tráilers, con o sin caja.

De camiones eléctricos a vehículos voladores

Basamos nuestra investigación en una descripción muy precisa de la energía requerida para mover el vehículo con detalles de los procesos químicos subyacentes en las baterías de iones de litio. Descubrimos que una camioneta eléctrica similar a las actuales propulsadas por diésel podría ser diseñada para viajar hasta 800 kilómetros con una sola carga pudiendo transportar su mercancía de aproximadamente el 93 por ciento de su capacidad en todos los viajes.

Las baterías necesitarán ser más baratas antes de que tenga sentido empezar el proceso de convertir la flota camionera de EEUU en una flota eléctrica. Esto parece que podría pasar en los primeros años de la década de 2020.

Los vehículos voladores están un poco lejos, porque tienen necesidades de potencia distintas, especialmente durante el despegue y el aterrizaje.

¿Qué es un e-VTOL?

A diferencia de los aviones de pasajeros, los drones que funcionan con pequeñas baterías y que transportan equipaje personal a distancias cortas mientras vuelan por debajo de los 120 metros, ya se están utilizando. Pero transportar personas y equipaje requiere 10 veces o más energía.

Observamos cuánta energía necesitaría una nave con una pequeña batería capaz de despegar y aterrizar en vertical. Están típicamente diseñadas para despegar rectas como los helicópteros, pasar a un modo de avión más eficiente mediante la rotación de sus propulsores o las alas durante el vuelo, para después volver al modo helicóptero a la hora de aterrizar. Podrían ser una manera eficiente y económica de atravesar áreas urbanas colapsadas, evitando carreteras atascadas.

Necesidades energéticas de una nave e-VTOL

Nuestro grupo de investigación ha creado un modelo que calcula la potencia necesaria para un e-VTOL con un solo pasajero en las líneas de diseño que ya están en pleno desarrollo. Un ejemplo es un e-VTOL que pesa 1.000 kilogramos, incluyendo al pasajero.

La mayor parte del viaje, en el modo de avión, necesita el mínimo de energía por kilómetro. Nuestro e-VTOL necesitaría en torno a 400 o 500 vatios/hora por cada milla (1,6 kilómetros), alrededor de la misma cantidad de energía que necesitaría una camioneta y aproximadamente dos veces el consumo de energía de un sedan con pasajeros.

En cualquier caso, el despegue y el aterrizaje requieren mucha más potencia. Independientemente de lo lejos que viaje un e-VTOL, nuestro análisis predice que el despegue y el aterrizaje necesitan en conjunto entre 8.000 y 10.000 vatios/hora por trayecto. Esto es en torno a la mitad de la energía disponible en la mayoría de los coches eléctricos compactos, como el Nissan Leaf.

Para el vuelo completo, con las mejores baterías disponibles hoy en día, calculamos que un e-VTOL con un pasajero diseñado para llevar a una persona a 32 kilómetros o menos requeriría de entre 800 y 900 vatios/hora por milla. Es más o menos la mitad de la energía de una camioneta, lo que no es muy eficiente: si necesitas ir al pueblo de al lado a comprar, no irías en un tractor con remolque completamente cargado para llegar allí.

Si las baterías se hacen más eficientes en los próximos años, podrían ser capaces de almacenar en torno al 50% más energía en el mismo volumen. Eso podría ayudar a hacer más viables los e-VTOLS para trayectos a corta y media distancia. Pero hay unas cuantas cosas también necesarias antes de que las personas puedan empezar a utilizar con regularidad los e-VTOLS.

No es simplemente energía

Para vehículos terrestres, determinar el rango útil del viaje es suficiente; pero no para los aviones o helicópteros. Los ingenieros aeronáuticos también necesitan examinar detalladamente la potencia, o cómo de rápido está disponible la energía almacenada. Esto es importante porque acelerar para despegar en un jet o luchar contra la gravedad en un helicóptero consume mucha más potencia que hacer girar las ruedas de un coche o un camión.

Además, las baterías del e-VTOL deben poder descargarse a una velocidad más de 10 veces mayor que las baterías de los coches eléctricos. Cuando las baterías se agotan más rápido, se calientan mucho más. Igual que tu portátil empieza a funcionar a máxima velocidad cuando ves un programa de televisión en streaming, mientras juegas a un videojuego y te descargas un archivo de gran tamaño, una batería de un vehículo necesita ser refrigerada incluso más rápido cuando se le exige dar más potencia.

Las baterías de vehículos terrestres no se llegan a sobrecalentar cuando se conduce, por lo que pueden ser refrigeradas con el propio aire o con ventiladores simples. Un taxi e-VTOL taxi, en cambio, generaría una enorme cantidad de calor en el despegue que tardaría mucho tiempo en enfriar, y en viajes cortos ni siquiera le daría tiempo antes de volverse a calentar en el aterrizaje. En la relación al tamaño de la batería, para la misma distancia recorrida, la cantidad de calor generada por un e-VTOL durante el despegue y el aterrizaje es muchísimo mayor a la de los coches eléctricos y las camionetas.

Ese calor extra acortará la vida útil de las baterías del e-VTOL y, posiblemente, las hará más propensas a incendiarse. Para preservar su durabilidad y la seguridad, las naves eléctricas necesitarán sistemas de refrigeración especiales, lo cual requeriría de más energía y peso aún.

Esta es una diferencia crucial entre los vehículos eléctricos terrestres y las aeronaves eléctricas: los diseñadores de camiones y coches no tienen ninguna necesidad de mejorar radicalmente ni sus sistemas de potencia ni sus sistemas de refrigeración, porque eso añadiría un coste que no mejoraría su rendimiento. Solo una investigación específica llevará a esos avances vitales para las aeronaves eléctricas.

Nuestro siguiente objeto de investigación continuará explorando las vías para mejorar la batería y el sistema de refrigeración del  e-VTOL, para proporcionar suficiente energía para llegar un rango útil y suficiente potencia para despegar y aterrizar; todo ello si sobrecalentamientos.

Este artículo ha sido publicado originalmente por The Conversation por Venkat Viswanathan, Shashank Sripad y William Leif Fredericks, investigadores en Carnegie Mellon University. 
Carnegie Mellon University aporta financiación como miembro de The Conversation AU. Lee el original.