En el futuro, los aviones propulsados por hidrógeno volarán por todo el mundo. Para que esto fuera posible, los ingenieros necesitaban crear motores a reacción que los impulsaran. Los experimentos realizados por investigadores de ETH Zurich están proporcionando ahora la base necesaria para hacer que estos motores sean más fuertes y duraderos.
Europa se está preparando para vuelos climáticamente neutros propulsados por hidrógeno producido de forma sostenible. El año pasado, la UE lanzó un proyecto para apoyar a la industria y las universidades en el desarrollo de un avión de media distancia propulsado por hidrógeno. Entre otras cosas, hubo que adaptar los motores a reacción para que funcionaran con el nuevo combustible. Los motores actuales están optimizados para quemar queroseno.
“El hidrógeno se quema mucho más rápido que el queroseno, lo que da como resultado una llama más compacta”, explica el profesor Nicolas Noerre, del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la ETH Zurich. Esto debería tenerse en cuenta a la hora de diseñar un motor de hidrógeno. Los experimentos 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 minimizar. En un motor a reacción típico, alrededor de la cámara de combustión cilíndrica del motor están dispuestas unas veinte toberas de inyección de combustible. Allí, la combustión turbulenta del combustible genera ondas sonoras. Estas ondas se reflejan en las paredes de la cámara y reaccionan sobre la llama. Este acoplamiento entre las ondas sonoras y la llama puede generar vibraciones que inducirán una gran carga en la cámara de combustión del motor. “Estas vibraciones pueden fatigar el material, provocando grietas y daños en el peor de los casos”, afirma Abel Faure-Beaulieu, ex investigador postdoctoral del grupo de Noir. “Por esta razón, cuando se construyen nuevos motores, se tiene cuidado de garantizar que estas vibraciones no se produzcan en condiciones de funcionamiento”.
Simulación de condiciones a altitud de crucero.
Cuando los ingenieros construyeron 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 no meterse en un 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 producidas por la empresa.
“Nuestras instalaciones nos permiten replicar las condiciones de temperatura y presión de un motor a altitud de crucero”, explica Noire. Los investigadores de ETH también pueden recrear la acústica de diferentes cámaras de combustión, lo que permite una amplia gama de mediciones. “Nuestra investigación es la primera 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 del conjunto de boquilla tal como se instalaría en futuros motores de hidrógeno. El estudio está ayudando a los ingenieros de GE Aerospace a optimizar las boquillas de inyección y allanar el camino para un motor de hidrógeno de alto rendimiento. Dentro de 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 la ETH no considera que el desarrollo de motores para aviones o el desarrollo de tanques de hidrógeno sean los mayores desafíos para transformar la aviación en la era del hidrógeno. “La humanidad ha volado a la Luna; los ingenieros sin duda podrán construir aviones de hidrógeno”, afirma. Pero los aviones por sí solos no son suficientes. Otro gran desafío, dice Noire, es construir 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.