Un avión eléctrico es un avión propulsado por electricidad . Los aviones eléctricos se consideran una forma de reducir los efectos ambientales de la aviación , proporcionando cero emisiones y vuelos más silenciosos. La electricidad puede suministrarse mediante diversos métodos, siendo el más común las baterías . La mayoría tienen motores eléctricos que impulsan hélices o turbinas.
Los vuelos tripulados en un dirigible propulsado eléctricamente se remontan al siglo XIX, y a 1917 para un helicóptero cautivo . Los modelos de aviones propulsados eléctricamente han volado al menos desde 1957, antes de los pequeños vehículos aéreos no tripulados (UAV) o drones que se utilizan hoy en día. Los UAS pequeños podrían usarse para entregas de paquetes, y los más grandes para aplicaciones de larga duración: imágenes aéreas, vigilancia, telecomunicaciones. El primer vuelo libre tripulado de un avión propulsado eléctricamente , el MB-E1 , se realizó en 1973, y la mayoría de los aviones eléctricos tripulados actuales siguen siendo solo prototipos experimentales. El primer avión eléctrico tripulado y autolanzado producido en serie del mundo con certificación de tipo EASA desde 2006 [1] y un sistema de batería integrado en el ala patentado , [2] el Lange E1 Antares , completó su vuelo inaugural en 1999; Desde 2004 se han entregado más de 100 aviones de este tipo, con un total de más de 165.000 horas de vuelo eléctrico hasta la fecha (hasta 2022). [3] Entre 2015 y 2016, Solar Impulse 2 completó una circunnavegación de la Tierra utilizando energía solar. Se están considerando aviones eléctricos VTOL o vehículos aéreos personales para la movilidad aérea urbana . Los aviones comerciales eléctricos podrían reducir los costos operativos. [4] : 1–7
En mayo de 2018, se sabía que casi 100 aviones eléctricos estaban en desarrollo. [5] Esto fue un aumento de 70 del año anterior e incluyó el 60% de nuevas empresas, el 32% de incumbentes aeroespaciales, la mitad de ellos importantes OEM y el 8% de organizaciones académicas, gubernamentales y empresas no aeroespaciales, principalmente de Europa (45%) y los EE. UU. (40%). [6] En su mayoría taxis aéreos urbanos (50%) y aviones de aviación general (47%), la mayoría son propulsados por baterías (73%), mientras que algunos son híbridos-eléctricos (31%), la mayoría de estos son aviones de pasajeros más grandes. [6] En mayo de 2019, el número de programas de desarrollo de aviones eléctricos conocidos estaba más cerca de 170, y la mayoría de ellos apuntaban al papel de taxi aéreo urbano . [7] Para 2022, alrededor de 100 diseños de aviones eléctricos estaban en desarrollo en todo el mundo. [4] : 10–11 Para 2023, el número de conceptos de aeronaves sostenibles en desarrollo (no solo eléctricas) se estimó en hasta 700. [8]
El uso de la electricidad para la propulsión de aeronaves se experimentó por primera vez durante el desarrollo del dirigible en la última parte del siglo XIX. El 8 de octubre de 1883, Gaston Tissandier voló el primer dirigible propulsado eléctricamente. [9] : 292 [10] Al año siguiente, Charles Renard y Arthur Krebs volaron La France con un motor más potente. [9] : 306 Incluso con la capacidad de elevación de un dirigible, los pesados acumuladores necesarios para almacenar la electricidad limitaron severamente la velocidad y el alcance de estos primeros dirigibles.
Se espera que los dirigibles totalmente eléctricos estén disponibles nuevamente en la década de 2030. [11]
En 1909, se afirmó que un modelo de vuelo libre eléctrico había volado durante ocho minutos, pero esta afirmación ha sido cuestionada por el constructor del primer vuelo registrado de un modelo de avión radiocontrolado eléctrico en 1957. [12] La densidad de potencia para el vuelo eléctrico era problemática incluso para modelos pequeños.
Pathfinder, Pathfinder Plus , Centurion y Helios de la NASA fueron una serie de vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados por sistemas de energía solar y de células de combustible desarrollados por AeroVironment , Inc. desde 1983 hasta 2003 bajo el programa de Tecnología de Sensores y Aeronaves de Investigación Ambiental de la NASA . [13] [14] El 11 de septiembre de 1995, Pathfinder estableció un récord de altitud no oficial para aeronaves propulsadas por energía solar de 50.000 pies (15.000 m) durante un vuelo de 12 horas desde NASA Dryden . Después de más modificaciones, la aeronave fue trasladada a la Instalación de Alcance de Misiles del Pacífico (PMRF) de la Marina de los EE. UU. en la isla hawaiana de Kauai . El 7 de julio de 1997, Pathfinder elevó el récord de altitud para aeronaves propulsadas por energía solar a 71.530 pies (21.800 m), que también fue el récord para aeronaves propulsadas por hélice. [13]
El 6 de agosto de 1998, Pathfinder Plus elevó el récord nacional de altitud a 80.201 pies (24.445 m) para aeronaves impulsadas por energía solar y hélice. [13] [15]
El 14 de agosto de 2001, Helios estableció un récord de altitud de 29.524 metros (96.863 pies), el récord para la clase U de FAI (tecnologías experimentales/nuevas) y la clase U-1.d de FAI (UAV controlado remotamente con una masa entre 500 y 2.500 kg (1.100 y 5.500 lb)), así como el récord de altitud para aeronaves propulsadas por hélice. [16] El 26 de junio de 2003, el prototipo de Helios se rompió y cayó al Océano Pacífico frente a Hawái después de que la aeronave encontrara turbulencias, lo que puso fin al programa.
En 2005, AC Propulsion realizó un vuelo ininterrumpido con un avión no tripulado llamado "SoLong", propulsado completamente con energía solar, durante 48 horas. Se trataba del primer vuelo ininterrumpido de este tipo, con energía almacenada en las baterías instaladas en el avión. [17] [18]
El QinetiQ Zephyr es un vehículo aéreo no tripulado (UAV) ligero alimentado con energía solar. A fecha de 23 de julio de 2010 ostentaba el récord de resistencia para un vehículo aéreo no tripulado de más de 2 semanas (336 horas). [19] Está construido con polímero reforzado con fibra de carbono , la versión de 2010 pesa 50 kg (110 lb) [20] (la versión de 2008 pesaba 30 kg (66 lb)) con una envergadura de 22,5 m (74 ft) [20] (la versión de 2008 tenía una envergadura de 18 m (59 ft)). Durante el día utiliza la luz solar para cargar baterías de litio-azufre , que alimentan la aeronave por la noche. [21] En julio de 2010, un Zephyr realizó un vuelo de resistencia récord mundial de UAV de 336 horas, 22 minutos y 8 segundos (más de dos semanas) y también estableció un récord de altitud de 70.742 pies (21.562 m) para la clase FAI U-1.c (UAV controlado remotamente con un peso entre 50 y 500 kg (110 y 1.100 lb)). [22] [23] [24]
En el caso de un dispositivo atado, como una plataforma de observación aérea, es posible suministrar energía a través de la cuerda. En un intento de crear una solución más práctica que los torpes globos que se utilizaban en ese momento, en 1917 se hizo volar el helicóptero eléctrico austrohúngaro Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ-1. Tenía un motor eléctrico de potencia continua de 190 hp (140 kW) especialmente diseñado y fabricado por Austro-Daimler , que recibía energía a través de un cable desde un generador de corriente continua terrestre. Sin embargo, los motores eléctricos aún no eran lo suficientemente potentes para tales aplicaciones y el motor se quemó después de solo unos pocos vuelos. [25]
En 1964, William C. Brown, de Raytheon, voló un modelo de helicóptero que recibía toda la energía necesaria para volar mediante transmisión de energía de microondas . [26]
El primer rotor basculante totalmente eléctrico a gran escala del mundo fue el demostrador de tecnología de vehículo aéreo no tripulado Proyecto Zero de AgustaWestland , que realizó vuelos no tripulados atados con energía terrestre en junio de 2011, menos de seis meses después de que la compañía diera el visto bueno oficial. [27]
El primer helicóptero eléctrico capaz de volar libremente fue el Solution F/Chretien Helicopter , desarrollado por Pascal Chretien en Venelles, Francia. Pasó de un diseño asistido por ordenador el 10 de septiembre de 2010 a su primer vuelo en agosto de 2011, en menos de un año. [28] [29]
En septiembre de 2016, Martine Rothblatt y Tier1 Engineering probaron con éxito un helicóptero eléctrico. El vuelo de cinco minutos alcanzó una altitud de 400 pies (120 m) con una velocidad máxima de 80 nudos (150 km/h). El helicóptero Robinson R44 fue modificado con dos motores YASA síncronos de imanes permanentes trifásicos , con un peso de 45 kg (100 lb), más 11 baterías de polímero de litio de Brammo con un peso de 500 kg (1100 lb). [30] [31] [32] Más tarde voló durante 20 minutos en 2016. [33] [34] El 7 de diciembre de 2018, Tier 1 Engineering voló un R44 eléctrico a batería sobre 30 millas náuticas (56 km) a 80 nudos (150 km/h) y una altitud de 800 pies (240 m), estableciendo un récord mundial Guinness por la distancia más lejana. [35]
En junio de 2017, Airbus presentó su CityAirbus , un demostrador de aeronave VTOL propulsada eléctricamente . [36] La aeronave multirotor está destinada a transportar cuatro pasajeros, con un piloto inicialmente y para convertirse en autopilotada cuando las regulaciones lo permitan. [36] Su primer vuelo no tripulado estaba programado para fines de 2018 y los vuelos tripulados estaban planeados para seguir en 2019. [37] La certificación de tipo y la introducción comercial están planificadas para 2023. [38]
Ingenuity , el pequeño sistema aéreo no tripulado (sUAS) de la NASA que voló sobre Marte en 2021 para convertirse en la primera aeronave extraterrestre, tiene un solo par de rotores coaxiales . El módulo de aterrizaje Dragonfly debería ser la segunda aeronave y helicóptero en operar sobre otro objeto astronómico que no sea la Tierra. Debería estar volando en la atmósfera de Titán a partir de 2034 aproximadamente. Las capacidades VTOL se incorporan para mover el módulo de aterrizaje y sus sensores a varias ubicaciones más alejadas del lugar de aterrizaje. [39]
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El 21 de octubre de 1973, el Militky MB-E1, un planeador motor Brditschka HB-3 convertido por Fred Militky y pilotado por Heino Brditschka, voló durante 9 minutos desde Linz en Austria: el primer avión eléctrico en volar por sus propios medios con una persona a bordo, alimentado por baterías de níquel-cadmio (NiCad). [40] [41] Las baterías de NiCad tienen una densidad energética más alta que las baterías de plomo-ácido , necesarias para alimentar un avión más pesado que el aire .
Tras un exitoso vuelo con propulsión humana , un premio Kremer relanzado permitió a la tripulación almacenar energía antes del despegue. [42] En la década de 1980, varios de estos diseños almacenaban electricidad generada al pedalear, incluidos el MIT Monarch y el Aerovironment Bionic Bat. [43]
El proyecto FCD (demostrador de pila de combustible) dirigido por Boeing utiliza un planeador motor Diamond HK-36 Super Dimona como banco de pruebas de investigación para un avión ligero propulsado por pila de combustible de hidrógeno. [44] Los vuelos exitosos tuvieron lugar en febrero y marzo de 2008. [44] [45]
La Comisión Europea ha financiado numerosos proyectos de bajo TRL para aeronaves innovadoras de propulsión eléctrica o híbrida. El ENFICA-FC es un proyecto de la Comisión Europea para estudiar y demostrar una aeronave totalmente eléctrica con pilas de combustible como sistema de energía principal o auxiliar. Durante el proyecto de tres años, se diseñó un sistema de energía basado en pilas de combustible y se realizó el primer vuelo en un avión ultraligero Rapid 200FC el 20 de mayo de 2010. [46]
El primer Desafío de Vuelo Verde de la NASA tuvo lugar en 2011 y lo ganó un Pipistrel Taurus G4 el 3 de octubre de 2011. [47] [48] [49]
En 2013, Chip Yates demostró que el avión eléctrico más rápido del mundo, un Long ESA, un Rutan Long-EZ modificado , podía superar a un Cessna a gasolina y a otras aeronaves en una serie de pruebas verificadas por la Fédération Aéronautique Internationale . Se descubrió que el Long ESA era menos costoso, tenía una velocidad máxima más alta y una mayor tasa de ascenso, en parte debido a la capacidad de la aeronave para mantener el rendimiento a gran altitud, ya que la baja densidad del aire no afecta el rendimiento del motor. [50] [51]
En 2017, Siemens utilizó un avión acrobático Extra EA-300 modificado, el 330LE, para establecer dos nuevos récords: el 23 de marzo en el aeródromo de Dinslaken Schwarze Heide en Alemania, el avión alcanzó una velocidad máxima de alrededor de 340 km/h (180 nudos) a lo largo de 3 km (1,6 millas náuticas) y al día siguiente, se convirtió en el primer avión eléctrico remolcador de planeadores . [52]
La NASA estaba desarrollando el X-57 Maxwell para demostrar tecnología para reducir el uso de combustible, las emisiones y el ruido, pero el programa fue cancelado debido a problemas con el sistema de propulsión. [53] Modificado a partir de un Tecnam P2006T , el X-57 tendrá 14 motores eléctricos que impulsarán hélices montadas en los bordes de ataque del ala. [54] En julio de 2017, Scaled Composites está modificando un primer P2006T reemplazando los motores de pistón con motores eléctricos, para volar a principios de 2018, luego moverá los motores a las puntas de las alas para aumentar la eficiencia propulsiva y finalmente instalará el ala de alta relación de aspecto con 12 hélices más pequeñas. [55]
La startup estadounidense/británica ZeroAvia desarrolla sistemas de propulsión de pilas de combustible de cero emisiones para aviones pequeños y prueba su HyFlyer en Orkney con el apoyo de 2,7 millones de libras del gobierno británico. [56]
El 29 de abril de 1979, el Mauro Solar Riser se convirtió en el primer avión propulsado por energía solar que transportaba personas, con células fotovoltaicas que proporcionaban 350 W (0,47 hp) a 30 voltios y cargaban una pequeña batería, que alimentaba el motor. Después de una carga de 1,5 horas, la batería podía alimentar el avión durante 3 a 5 minutos para alcanzar una altitud de planeo. [57] Esto siguió a una prueba de modelo exitosa en 1974, cuando se desarrollaron las células solares, en el mismo período que con las baterías de NiCad.
Bajo la dirección de Freddie To, arquitecto y miembro del comité del premio Kremer , el Solar One fue diseñado por David Williams y producido por Solar-Powered Aircraft Developments. Un avión tipo planeador motorizado construido originalmente como un avión propulsado por pedales para intentar cruzar el Canal, el avión resultó demasiado pesado para ser propulsado con éxito por energía humana y luego fue convertido a energía solar, [58] utilizando un motor eléctrico impulsado por baterías que se cargaban antes del vuelo mediante un conjunto de células solares en el ala. [59] El vuelo inaugural del Solar One tuvo lugar en el aeródromo de Lasham , Hampshire, el 13 de junio de 1979. [60]
El MacCready Gossamer Penguin voló por primera vez con un piloto a bordo en 1980.
El MacCready Solar Challenger voló por primera vez en 1980, y en 1981 voló 163 millas desde el aeródromo de Pontoise, al norte de París, hasta la base de la Real Fuerza Aérea de Manston en Manston , Inglaterra, permaneciendo en el aire durante 5 horas y 23 minutos, con el piloto Stephen Ptacek a los controles.
El Solair 1, pilotado por humanos y desarrollado por Günther Rochelt, voló en 1983 con un rendimiento notablemente mejorado. [61] [62] Utilizaba 2499 células solares montadas en las alas. [61]
El avión alemán propulsado por energía solar "Icaré II" fue diseñado y construido por el Instituto de Diseño Aeronáutico (Institut für Flugzeugbau) de la Universidad de Stuttgart en 1996. El líder del proyecto y, a menudo, piloto del avión es Rudolf Voit-Nitschmann, director del instituto. El diseño ganó el premio Berblinger en 1996, el premio EAA Special Achievement Award en Oshkosh, la medalla dorada Daidalos del Aeroclub alemán y el premio OSTIV en Francia en 1997. [63]
El Solar Impulse 2 está propulsado por cuatro motores eléctricos. La energía de las células solares en las alas y el estabilizador horizontal se almacena en baterías de polímero de litio y se utiliza para impulsar las hélices. [64] [65] En 2012, el primer Solar Impulse realizó el primer vuelo intercontinental de un avión solar, volando desde Madrid , España a Rabat , Marruecos. [66] [67] Completado en 2014, el Solar Impulse 2 llevaba más células solares y motores más potentes, entre otras mejoras. En marzo de 2015, el avión despegó en la primera etapa de un viaje planeado alrededor del mundo, volando hacia el este desde Abu Dabi , Emiratos Árabes Unidos. [68] Debido a daños en la batería, la nave se detuvo en Hawái , donde se reemplazaron sus baterías. Reanudó la circunnavegación en abril de 2016 [69] y llegó a Sevilla , España, en junio de 2016. [70] Al mes siguiente regresó a Abu Dabi, completando su circunnavegación del mundo. [71]
Una de las aplicaciones es como motor sustentador o incluso como motor de lanzamiento automático para planeadores . El sistema más común es el sustentador eléctrico delantero , que se utiliza en más de 240 planeadores. El corto alcance no es un problema, ya que el motor se utiliza solo brevemente, ya sea para despegar o para evitar un aterrizaje no planificado (un aterrizaje no planificado mientras se planea).
El primer avión eléctrico de producción no certificado y disponible comercialmente, el planeador autolanzable Alisport Silent Club , voló en 1997. Está impulsado opcionalmente por un motor eléctrico de corriente continua de 13 kW (17 hp) que funciona con 40 kg (88 lb) de baterías que almacenan 1,4 kWh (5,0 MJ) de energía. [73]
El primer certificado de aeronavegabilidad para un avión con motor eléctrico fue otorgado al Lange Antares 20E en 2003. También es un planeador/velero eléctrico de 20 m (66 pies) de lanzamiento automático, con un motor DC/DC sin escobillas de 42 kW (56 hp) y baterías de iones de litio , puede ascender hasta 3000 m (9800 pies) con celdas completamente cargadas. [74] El primer vuelo fue en 2003. En 2011, el avión ganó la competencia Berblinger 2011. [75]
A finales de la década de 2000, el fabricante chino de modelos radiocontrolados Yuneec International desarrolló y probó varias aeronaves de ala fija tripuladas alimentadas por batería, incluido el E430 , el primer avión eléctrico diseñado para ser producido en serie, pero no logró comercializarlos (solo se construyeron prototipos) y a mediados de la década de 2010 se volcó en el lucrativo mercado de drones de consumo.
El Taurus Electro fue el primer avión eléctrico biplaza que voló, [76] mientras que el Taurus Electro G2 es la versión de producción, que se presentó en 2011. Está propulsado por un motor eléctrico de 40 kW (54 hp) y baterías de litio para el lanzamiento automático [77] a una altitud de 2000 m (6600 ft), después de lo cual el motor se retrae y el avión se eleva como un planeador. Es el primer avión eléctrico biplaza que ha logrado la producción en serie. [78] [79]
Como la formación de pilotos hace hincapié en los vuelos cortos, varias empresas fabrican o han demostrado aviones ligeros adecuados para el entrenamiento de vuelo inicial. El Airbus E-Fan estaba destinado al entrenamiento de vuelo, pero el proyecto fue cancelado. Pipistrel fabrica aviones deportivos eléctricos ligeros como el Pipistrel WATTsUP , un prototipo del Pipistrel Alpha Electro . La ventaja de los aviones eléctricos para el entrenamiento de vuelo es el menor coste de la energía eléctrica en comparación con el combustible de aviación. El ruido y las emisiones de escape también se reducen en comparación con los motores de combustión.
El Bye Aerospace eFlyer 2 (anteriormente Sun Flyer 2) es un avión eléctrico ligero diseñado y en desarrollo por Bye Aerospace de Denver, Colorado. El avión se presentó al público por primera vez el 11 de mayo de 2016 y voló por primera vez el 10 de abril de 2018.
El 10 de junio de 2020, la variante Velis Electro del Pipistrel Virus biplaza fue el primer avión eléctrico en obtener la certificación de tipo de la EASA . Impulsado por un motor eléctrico de 76 hp (58 kW) desarrollado con Emrax , ofrece una carga útil de 170 kg (370 lb), una velocidad de crucero de 90 nudos (170 km/h) y una autonomía de 50 min. Pipistrel planea entregar más de 30 ejemplares en 2020, para ser utilizados como avión de entrenamiento . [80]
El 12 de octubre de 2021, Diamond Aircraft anunció el desarrollo del e DA40 , con miras a un primer vuelo en 2022 y una certificación EASA/FAA Parte 23 en 2023, adaptada al mercado de entrenamiento de vuelo. [81] Se espera que el avión biplaza pueda volar hasta 90 minutos, con un 40% menos de costes operativos que los de motor de pistón. El eDA40 tiene una variante de tres asientos prevista para un futuro lanzamiento. [82] El eDA40 tuvo su vuelo inicial el 20 de julio de 2023. [83]
El 19 de febrero de 2024, Aura Aero lanza su primer prototipo de Integral E.
El banco de pruebas de aeronaves eléctricas de la NASA (NEAT) es un banco de pruebas reconfigurable de la NASA en la estación Plum Brook , Ohio, que se utiliza para diseñar, desarrollar, ensamblar y probar sistemas de energía para aeronaves eléctricas, desde una aeronave pequeña para una o dos personas hasta aviones de pasajeros de 20 MW (27 000 hp) . [84] Los acuerdos de investigación de la NASA (NRA) se otorgan para desarrollar componentes de propulsión eléctrica. [85] Ese programa se canceló en 2023.
En septiembre de 2017, la aerolínea de bajo coste británica EasyJet anunció que estaba desarrollando un avión eléctrico de 180 plazas para 2027 con Wright Electric . [86] Fundada en 2016, la estadounidense Wright Electric construyó un concepto de prueba de dos asientos con 272 kg (600 lb) de baterías, y cree que se pueden ampliar con nuevas baterías sustancialmente más ligeras . Un alcance de 291 millas náuticas (540 km) sería suficiente para el 20% de los pasajeros de Easyjet. [87] Wright Electric desarrollará entonces un avión de pasajeros de pasillo único de corta distancia de 10 plazas, eventualmente de al menos 120 pasajeros, y apunta a un 50% menos de ruido y un 10% menos de costos. [88] Jeffrey Engler, director ejecutivo de Wright Electric, estima que los aviones eléctricos comercialmente viables conducirán a una reducción de alrededor del 30% en los costos de energía. [89]
El 19 de marzo de 2018, Israel Aerospace Industries anunció sus planes de desarrollar un avión de pasajeros eléctrico de corta distancia, basándose en su experiencia en sistemas de energía eléctrica para pequeños UAS . [90] Podría desarrollarlo internamente o con una empresa emergente como Israeli Eviation , US Zunum Aero o Wright Electric. [90]
La empresa australiana MagniX ha desarrollado un Cessna 208 Caravan eléctrico con un motor de 540 kW (720 hp) para duraciones de vuelo de hasta una hora. [91] El motor eléctrico Magni5 de la empresa produce continuamente 265 kW (355 hp), 300 kW (400 hp) de potencia máxima a 2500 rpm con una eficiencia del 95 % con una masa seca de 53 kg (117 lb), una densidad de potencia de 5 kW/kg, compitiendo con el Siemens SP260D de 260 kW (350 hp), 50 kg (110 lb) para el Extra 330LE . [91] En septiembre de 2018, se había probado un motor eléctrico de 350 hp (260 kW) con hélice en un Cessna Iron Bird. El Caravan de 750 hp (560 kW) voló por primera vez en 2020 y para 2022 MagniX estima que los aviones eléctricos tendrán alcances de 500 y 1,000 mi (800 y 1,610 km) para 2024. [92] El motor funcionó en un dinamómetro de prueba durante 1,000 horas. [93] El pájaro de hierro es un fuselaje delantero de Caravan utilizado como banco de pruebas, con el motor turbohélice Pratt & Whitney Canada PT6 original reemplazado por un motor eléctrico, inversor y un sistema de refrigeración líquida, incluidos radiadores, impulsando una hélice Cessna 206. [93] El motor de producción producirá 280 kW (380 hp) a 1,900 rpm, por debajo de las 2,500 rpm del motor de prueba, lo que permite la instalación sin una caja de reducción. [93] El 28 de mayo de 2020, el Cessna 208B eCaravan con capacidad para nueve pasajeros y propulsión eléctrica de MagniX voló con energía eléctrica, [94] hacia la certificación de operación comercial. [95]
Un motor eléctrico MagniX de 560 kW (750 hp) fue instalado en un hidroavión De Havilland Canada DHC-2 Beaver . Harbour Air , con base en Columbia Británica , esperaba introducir la aeronave en servicio comercial en 2021, para viajes de menos de 30 minutos inicialmente, hasta que el alcance aumente a medida que se introduzcan mejores baterías. [56] El 10 de diciembre de 2019, realizó su primer vuelo de cuatro minutos de duración desde el río Fraser cerca de Vancouver . El motor de pistón Pratt & Whitney R-985 Wasp Junior normalmente instalado del Beaver de seis pasajeros fue reemplazado por un magni500 de 135 kg (297 lb) , con baterías intercambiables, lo que permite vuelos de 30 minutos con una reserva de 30 minutos. [96] Para abril de 2022, las pruebas de vuelo de una versión certificable a través de un STC se retrasaron hasta fines de 2023, para transportar cuatro pasajeros y un piloto en vuelos de 30 minutos con una reserva de 30 minutos. [97] Magnix está buscando la certificación de la FAA para su motor de avión Magni650 de 640 kW (850 shp), mientras que el proveedor de baterías H55 (una escisión de Solar Impulse) está buscando la aprobación de la EASA . [97]
Un demostrador del avión alemán Scylax E10 de 10 plazas debería volar en 2022. [ Necesita actualización ] Debería ser utilizado por FLN Frisia Luftverkehr para conectar las islas de Frisia Oriental con su alcance de 300 km (160 millas náuticas) y su corta distancia de despegue y aterrizaje de 300 m (980 pies) . [56]
El 23 de septiembre de 2020, Heart Aerospace, con sede en Gotemburgo, presentó su diseño ES-19, un avión comercial totalmente eléctrico de 19 asientos que se planea que vuele a mediados de 2026. [98] Con un fuselaje y un ala de aluminio convencionales, su alcance planificado es de 400 km (222 millas náuticas) y se espera que opere desde pistas tan cortas como 800 m (2640 pies). [98] Inicialmente dirigido a las aerolíneas que operan en los países nórdicos , Heart ha recibido "expresiones de interés" para 147 aviones ES-19 por un valor de aproximadamente 1.100 millones de euros o 1.300 millones de dólares (7,5 millones de euros o 8,8 millones de dólares cada uno) de al menos ocho aerolíneas. [98] Con el respaldo del capitalista de riesgo sueco EQT Ventures , los gobiernos nórdicos y la Unión Europea , Heart fue inicialmente financiado por la agencia de innovación sueca Vinnova y es un ex alumno del acelerador de empresas emergentes de Silicon Valley Y Combinator . [98]
El 22 de marzo de 2021, Aura Aero, con sede en Toulouse , anunció el desarrollo de su ERA (Electric Regional Aircraft), un avión eléctrico de 19 pasajeros, cuya certificación está prevista para 2026. [99]
Los efectos ambientales de la aviación sobre el cambio climático se han convertido en una fuerza impulsora importante para el desarrollo de aeronaves eléctricas, y algunos equipos de desarrollo tienen como objetivo un sistema de propulsión eléctrico de cero emisiones. La aviación representa el 2,4% de todas las emisiones de CO2 derivadas de combustibles fósiles , y sus emisiones del transporte aéreo en conjunto aumentaron un 32% entre 2013 y 2018. [100] Si bien estimar los efectos no relacionados con el CO2 de la aviación sobre el cambio climático es complejo, el NOx y las estelas de condensación podrían aumentar esta responsabilidad al 3,5%. [101] Otros beneficios son el potencial de reducción del ruido, en una industria con un grave problema de contaminación acústica y su reducción . [102]
Los mecanismos para suministrar la electricidad necesaria sin almacenarla toda a bordo incluyen:
Una célula solar convierte la luz solar directamente en electricidad, ya sea para energía directa o para almacenamiento temporal. La potencia de salida de las células solares es baja y requiere que muchas estén conectadas entre sí, lo que limita su uso. Los paneles solares típicos que funcionan con una eficiencia de conversión del 15 al 20 % (energía de la luz solar en energía eléctrica) producen alrededor de 150 a 200 W/m2 ( 0,019 a 0,025 hp/pie cuadrado) con luz solar directa. [103] Las áreas utilizables son aún más limitadas ya que la salida de un panel de bajo rendimiento afecta la salida de todos los paneles en su circuito, lo que significa que todos requieren condiciones similares, incluido estar en un ángulo similar con el sol y no estar enmascarados por la sombra. [104]
Entre 2010 y 2020, el coste de los módulos de energía solar se redujo en un 90% y sigue disminuyendo entre un 13% y un 15% al año. [105] La eficiencia de las células solares también ha aumentado sustancialmente, del 2% en 1955 al 20% en 1985, y algunos sistemas experimentales superan ahora el 44%. Sin embargo, la mayoría de las tecnologías con estas altas eficiencias solo han sido posibles en entornos de laboratorio y no a nivel de producción a gran escala. [106]
La libre disponibilidad de luz solar hace que la energía solar sea atractiva para aplicaciones de gran altitud y larga duración, donde el frío y la interferencia atmosférica reducida las hacen significativamente más eficientes que en tierra. [107] [108] La caída de la temperatura del aire seco a medida que aumenta la altitud, llamada tasa de disminución ambiental (ELR) , promedia 6,49 °C/km [109] (memorizada en el entrenamiento de pilotos como 1,98 °C/1000 pies o 3,56 °F/1000 pies) de modo que la temperatura para la altitud de crucero de un avión de pasajeros típico de alrededor de 35 000 pies (11 000 m) será sustancialmente menor que a nivel del suelo.
Los vuelos nocturnos, como los vuelos de resistencia y los vuelos con aeronaves que brindan cobertura las 24 horas sobre un área, generalmente requieren un sistema de almacenamiento de respaldo, que se carga durante el día con energía excedente y suministra energía durante las horas de oscuridad.
La transmisión de energía electromagnética, como las microondas , depende de una fuente de energía terrestre. Sin embargo, en comparación con el uso de un cable de alimentación, la transmisión de energía permite que la aeronave se mueva lateralmente y conlleva una pérdida de peso mucho menor, en particular a medida que aumenta la altitud. La tecnología solo se ha demostrado en modelos pequeños y espera su desarrollo práctico a mayor escala. [110]
En el caso de los vehículos propulsados que sustituyen a los aerostatos atados , se puede conectar un cable de alimentación eléctrica a una fuente de alimentación terrestre, como un generador eléctrico o la red eléctrica local . A bajas altitudes, esto evita tener que levantar baterías, y fue utilizado por el vehículo de observación experimental Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ-1 de 1917. Sin embargo, cuanto más alto vuela, más pesada se vuelve la longitud del cable que levanta.
Los mecanismos para almacenar la electricidad necesaria incluyen:
Las baterías son el componente de almacenamiento de energía a bordo más común de los aviones eléctricos, debido a su capacidad de almacenamiento relativamente alta. Las baterías impulsaron por primera vez los dirigibles en el siglo XIX, pero las baterías de plomo-ácido eran muy pesadas y no fue hasta la llegada de otras químicas, como el níquel-cadmio (NiCd) más tarde en el siglo XX, que las baterías se volvieron prácticas para los aviones más pesados que el aire . Las baterías modernas son en su mayoría de tipos recargables basados en tecnologías de litio.
Las baterías de polímero de litio (LiPo), un tipo de baterías de iones de litio (LIB), se han aplicado durante mucho tiempo en vuelos no tripulados por su peso ligero y su capacidad de recarga. Sin embargo, su densidad energética limita su aplicación principalmente a ser baterías de drones. [111] Aumentar el tiempo máximo de vuelo simplemente diseñando aeronaves más grandes que utilicen baterías más grandes es ineficiente, debido al compromiso de alcance de carga útil. Después de un cierto aumento en el peso de la batería, hay rendimientos decrecientes a través de la penalización de masa que no compensa el aumento de la energía específica de la batería . [112] [113] Existe una compensación similar entre el alcance máximo y el número de pasajeros. Se han utilizado herramientas computacionales para modelar esta tendencia, prediciendo que una aeronave eléctrica a pequeña escala de peso promedio (1500 kg) y densidad de energía promedio (150 Wh/kg) podría viajar un alcance de ~80 mi con un pasajero, ~60 mi con dos y menos de ~30 mi con tres. [113]
En 2017, la energía disponible de las baterías se estimó en 170 Wh/kg, 145 Wh/kg en el eje incluyendo la eficiencia del sistema, mientras que una turbina de gas extrajo 6.545 Wh/kg de potencia del eje de un combustible de 11.900 Wh/kg. [114] En 2018, se estimó que las baterías de iones de litio, incluidos el embalaje y los accesorios, proporcionaban 160 Wh/kg, mientras que el combustible de aviación proporcionaba 12.500 Wh/kg. [115] En 2018, la energía específica del almacenamiento de electricidad todavía era solo el 2% del combustible de aviación . [116] Esta relación 1:50 hace que la propulsión eléctrica sea poco práctica para aeronaves de largo alcance, ya que una misión de 500 millas náuticas (930 km) para una aeronave totalmente eléctrica de 12 pasajeros requeriría un aumento de seis veces en la densidad de energía de la batería. [117] Dicho esto, los motores eléctricos de batería tienen una mayor eficiencia (~90%) que la mayoría de los motores a reacción (~50%), lo que se puede aprovechar aún más a través de las químicas de batería emergentes. [118]
Para que sea factible su aplicación en aeronaves eléctricas, es esencial mejorar el almacenamiento de energía. Se reconoce ampliamente que la densidad energética es el cuello de botella para los sistemas de propulsión eléctricos de cero emisiones. [119] [120] Otra limitación es la tasa de descarga debido a la relación de energía del paquete de demanda y los segmentos de misión sensibles, ya que la tasa de descarga C para el despegue es de 4 °C mientras que es de casi 5 °C para el aterrizaje. [121] [113] [ aclaración necesaria ] Las aeronaves eléctricas tienen necesidades adicionales de generación de calor y fin de vida útil, lo que requiere nuevas estrategias de gestión térmica, capacidades de pérdida de potencia y modos de falla del paquete de baterías.
En 2019, las mejores baterías de iones de litio alcanzaban entre 250 y 300 Wh/kg, suficiente para un avión pequeño, mientras que un avión de pasajeros regional habría necesitado un paquete de baterías de 500 Wh/kg y un Airbus A320 de pasillo único necesitaría 2 kWh/kg. [117] La energía eléctrica solo es adecuada para aviones pequeños, mientras que para los aviones de pasajeros grandes, se requeriría una mejora de la densidad energética de un factor de 20 en comparación con las baterías de iones de litio. [122] [ se necesita una mejor fuente ]
Estas baterías pueden reducir los costos operativos generales de algunos vuelos de corto alcance. Por ejemplo, la electricidad utilizada en los Harbour Air Beavers les cuesta alrededor de $0,10 canadienses por kWh en comparación con los $2,00 por litro de gasolina, [102] proporcionando 33 MJ (9,2 kWh) de energía con un combustible de 44 MJ/kg y una densidad de 0,75 Avgas , $0,22 por kWh químico o $0,65 por kWh de eje con una eficiencia de un tercio. Sin embargo, el combustible para aviones es más barato y las turbinas de gas de gran tamaño son más eficientes. En 2021, las tecnologías más allá del ion-litio, como las baterías de estado sólido ( litio-azufre , LSB) y las baterías de litio-aire (LAB), se han convertido en áreas de investigación cada vez más prometedoras para un rendimiento más competitivo de las aeronaves eléctricas de batería. [123] [124]
El comité SAE International AE-7D [125] fue creado por Electro.Aero en 2018 para estandarizar la carga y el almacenamiento de energía de aeronaves eléctricas. Uno de los primeros documentos desarrollados fue el estándar AS6968 para la carga de aeronaves eléctricas de submegavatios. El comité AE-7D también está desarrollando el Informe de información aeroespacial AIR7357 para la carga a nivel de potencia de megavatios. Algunos aeropuertos tienen estaciones de carga para autos eléctricos que también pueden cargar aeronaves. [126]
Un ultracondensador es un sistema híbrido de almacenamiento de energía electroquímica que une baterías y condensadores, y tiene algunas ventajas sobre las baterías al poder cargarse y descargarse mucho más rápido con corrientes pico más altas, sin estar tan limitado en el número de ciclos de carga y descarga, ya que la reacción no es solo química sino también eléctrica. [127] [ se necesita una mejor fuente ]
Sin embargo, su densidad energética, que normalmente ronda los 5 Wh/kg, es muy inferior a la de las baterías y son considerablemente más caras, incluso si se tiene en cuenta su mayor vida útil. [128] [ se necesita una mejor fuente ]
Una pila de combustible (FC) utiliza la reacción entre dos sustancias químicas, como el hidrógeno y el oxígeno , para crear electricidad, de forma muy similar a un motor de cohete de combustible líquido , pero generando electricidad en una reacción química controlada, en lugar de hacerlo mediante empuje. Si bien la aeronave debe transportar el hidrógeno (o un combustible similar), con sus propias complicaciones y riesgos, el oxígeno se puede obtener de la atmósfera.
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Casi todos los aviones eléctricos hasta la fecha han sido propulsados por motores eléctricos que impulsan hélices generadoras de empuje o rotores generadores de sustentación . [129]
Si bien las baterías pesan más que su equivalente en combustible, los motores eléctricos pesan menos que sus contrapartes con motor de pistón y en aeronaves más pequeñas utilizadas para vuelos más cortos, pueden compensar en parte la disparidad entre las densidades de energía eléctrica y de gasolina. [102] [130] Los motores eléctricos tampoco pierden potencia con la altitud, a diferencia de los motores de combustión interna, [126] evitando la necesidad de medidas complejas y costosas utilizadas para prevenir esto, como el uso de turbocompresores .
El Extra 330 LE experimental tiene un motor Siemens SP260D de 260 kW (350 hp) que pesa 50 kg, con una batería de 37,2 kWh, para un peso de aeronave de 1000 kg. [131] Reemplaza un motor de pistón Lycoming AEIO-580 de 235 kW (315 hp) que pesa 202 kg. [132] El peso vacío del Extra 330 con motor de pistón es de 677 kg, [133] 474 kg sin el motor. El motor Lycoming tiene un consumo de combustible de 141 lb (64 kg) por hora cuando genera 315 hp (235 kW), [134] o 0,27 kg/kWh: necesita 10 kg de combustible para generar los mismos 37,2 kWh.
Además del propio motor, el peso de un avión se ve obstaculizado por las reservas de energía necesarias: un avión de 19 asientos necesita las reservas IFR obligatorias del 5% de contingencia de ruta, el vuelo a una alternativa de 100 millas náuticas más 30 minutos de espera antes del aterrizaje - 308 kg de combustible para un turbohélice, o 4.300 kg de baterías de 250 Wh/kg, similar al peso vacío actual de 19 asientos. [135] Un sistema de propulsión eléctrica también incluye un inversor de potencia , mientras que los motores de combustible tienen un sistema de combustible en sí mismos.
El motor eléctrico experimental magniX magni500 de 750 hp (560 kW) pesa 297 lb (135 kg), [136] mientras que el Pratt & Whitney Canada PT6 A-114 certificado de 729 hp (544 kW) pesa 297 lb (135 kg), [137] ambos impulsan el Cessna 208 Caravan .
El aumento de potencia, combinado con las modificaciones del Certificado de Tipo Suplementario (STC), puede compensar el peso de las baterías al aumentar el peso operativo bruto del avión, incluido el peso de aterrizaje. [126] Las aeronaves que utilizan combustibles fósiles son más ligeras cuando aterrizan, lo que permite que la estructura sea más ligera. Con una aeronave propulsada por baterías, el peso sigue siendo el mismo, por lo que puede requerir refuerzo. [126]
Un avión híbrido eléctrico es un avión con un sistema de propulsión eléctrico híbrido . Normalmente despega y aterriza con energía eléctrica limpia y silenciosa, y vuela con la potencia de un motor de pistón o de reacción convencional. Esto hace que los vuelos largos sean prácticos, al tiempo que reduce su huella de carbono. [115] En mayo de 2018, había más de 30 proyectos y se previeron aviones de pasajeros híbridos-eléctricos de corta distancia a partir de 2032. [6] Los más avanzados son el Zunum Aero de 10 plazas, [138] el demostrador Airbus E-Fan X , [139] el VoltAero Cassio , [140] UTC está modificando un Bombardier Dash 8 , [141] mientras que el prototipo Ampaire Electric EEL voló por primera vez el 6 de junio de 2019. [142]
En noviembre de 2018, los ingenieros del MIT lograron el primer vuelo libre con un modelo de avión sin partes móviles, el EAD Airframe Version 2. Se propulsa creando un viento de iones mediante magnetohidrodinámica (MHD). [143] [144] La MHD se ha utilizado para lograr una elevación vertical en el pasado, pero solo conectando el sistema generador de iones MHD a una fuente de alimentación externa.
La siguiente tabla resume los envíos de aviones eléctricos a nivel mundial por fabricante.
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)a las 15:04 BST... el viernes... despegó... a las 14:40 BST (06:40 hora local) el viernes 9 de julio.
{{cite web}}: CS1 maint: year (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Günter Rochelt fue el diseñador y constructor de Solair I, un avión solar de 16 m de envergadura... El 21 de agosto de 1983 voló en Solair I, principalmente con energía solar y también térmica, durante 5 horas y 41 minutos.
exactamente 2.499 Solarzellen ausgestattet, die eine Leistung von 2,2 kW
{{cite web}}: CS1 maint: year (link)
