Un avión eléctrico es un avión propulsado por electricidad . Los aviones eléctricos se consideran una forma de reducir los efectos medioambientales 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 tiene motores eléctricos que impulsan hélices o turbinas.
Los vuelos tripulados en un dirigible eléctrico se remontan al siglo XIX y, en el caso de un helicóptero atado, a 1917 . Los modelos de aviones eléctricos se han volado al menos desde 1957, antes de los pequeños vehículos aéreos no tripulados (UAV) o drones que se utilizan en la actualidad. 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 con tripulación de un avión propulsado eléctricamente , el MB-E1 , se realizó en 1973, y la mayoría de los aviones eléctricos con tripulación en la actualidad siguen siendo sólo prototipos experimentales. El primer avión eléctrico tripulado autolanzamiento 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, sumando hasta la fecha (hasta 2022) más de 165.000 horas de vuelo eléctrico. [3] Entre 2015 y 2016, Solar Impulse 2 completó una circunnavegación de la Tierra utilizando energía solar. Se están considerando aviones VTOL eléctricos 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 se estaban desarrollando casi 100 aviones eléctricos. [5] Esto fue superior a los 70 del año anterior e incluyó el 60% de nuevas empresas, el 32% de empresas aeroespaciales establecidas, la mitad de ellas grandes OEM y el 8% de organizaciones académicas, gubernamentales y empresas no aeroespaciales, principalmente de Europa (45%). y Estados Unidos (40%). [6] En su mayoría taxis aéreos urbanos (50%) y aviones de aviación general (47%), la mayoría funcionan con baterías (73%), mientras que algunos son híbridos-eléctricos (31%), la mayoría de ellos aviones de pasajeros más grandes. [6] En mayo de 2019, el número de programas de desarrollo de aviones eléctricos conocidos se acercaba a los 170, y la mayoría de ellos estaban destinados a la función de taxi aéreo urbano . [7] En 2022, se estaban desarrollando alrededor de 100 diseños de aviones eléctricos en todo el mundo. [4] : 10–11 Para 2023, el número de conceptos de aeronaves sostenibles en desarrollo (no solo eléctricos) se estimó en hasta 700. [8]
El uso de la electricidad para la propulsión de aviones se experimentó por primera vez durante el desarrollo del dirigible a finales del siglo XIX. El 8 de octubre de 1883, Gaston Tissandier pilotó el primer dirigible de propulsión eléctrica. [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 limitaban gravemente la velocidad y el alcance de estos primeros dirigibles.
Se espera que los dirigibles totalmente eléctricos vuelvan a estar disponibles en la década de 2030. [11]
En 1909, se afirmó que un modelo de vuelo libre eléctrico había volado ocho minutos, pero esta afirmación ha sido cuestionada por el constructor del primer vuelo de un modelo de avión eléctrico controlado por radio registrado 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 celdas de combustible y solares 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 aviones propulsados por energía solar de 50.000 pies (15.000 m) durante un vuelo de 12 horas desde NASA Dryden . Después de nuevas modificaciones, el avión fue trasladado 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 aviones propulsados por energía solar a 71.530 pies (21.800 m), que también era el récord para aviones propulsados 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 aviones de hélice y energía solar. [13] [15]
El 14 de agosto de 2001, Helios estableció un récord de altitud de 29.524 metros (96.863 pies), el récord para FAI clase U (nuevas tecnologías experimentales) y FAI clase U-1.d (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 aviones propulsados por hélice. [16] El 26 de junio de 2003, el prototipo de Helios se rompió y cayó en el Océano Pacífico frente a Hawaii después de que el avión encontró turbulencias, poniendo fin al programa.
En 2005, AC Propulsion voló un avión no tripulado llamado "SoLong" durante 48 horas seguidas, propulsado íntegramente por energía solar. Este fue el primer vuelo de este tipo durante las 24 horas del día, gracias a la energía almacenada en las baterías montadas en el avión. [17] [18]
El QinetiQ Zephyr es un vehículo aéreo no tripulado (UAV) ligero que funciona con energía solar. Desde el 23 de julio de 2010 ostenta el récord de resistencia de un vehículo aéreo no tripulado de más de 2 semanas (336 horas). [19] Es una construcción de 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 pies) [20 ] (la versión de 2008 tenía una envergadura de 18 m (59 pies)). Durante el día utiliza la luz solar para cargar baterías de litio y azufre , que alimentan el avión durante la noche. [21] En julio de 2010, un Zephyr logró un récord mundial de vuelo de resistencia de un 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 1100 lb)). [22] [23] [24]
Para un dispositivo atado, como una plataforma de observación aérea, es posible alimentar la correa. En un intento por crear una solución más práctica que los torpes globos que se utilizaban entonces, en 1917 voló el helicóptero austrohúngaro Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ-1 de propulsión eléctrica. Tenía un motor especialmente diseñado de 190 hp (140 kW). Motor eléctrico de potencia continua fabricado por Austro-Daimler y recibía su energía a través de un cable de un generador de CC basado en tierra. Sin embargo, los motores eléctricos aún no eran lo suficientemente potentes para tales aplicaciones y el motor se quemó después de unos pocos vuelos. [25]
En 1964, William C. Brown en Raytheon voló un modelo de helicóptero que recibía toda la potencia necesaria para volar mediante transmisión de energía por microondas . [26]
El primer rotor basculante totalmente eléctrico a gran escala del mundo fue el demostrador de tecnología de vehículos aéreos no tripulados Proyecto Cero de AgustaWestland , que realizó combates no tripulados 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 de vuelo libre fue el Solution F/Chretien Helicopter , desarrollado por Pascal Chretien en Venelles, Francia. Pasó del concepto de diseño asistido por computadora el 10 de septiembre de 2010 al 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 de propulsión eléctrica. 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] Posteriormente voló durante 20 minutos en 2016. [33] [34] El 7 de diciembre de 2018, Tier 1 Engineering voló un R44 eléctrico alimentado por batería a más de 30 millas náuticas (56 km) a 80 kn (150 km/h) y una altitud de 800 pies (240 m), estableciendo un récord mundial Guinness por la distancia más larga. [35]
En junio de 2017, Airbus presentó su CityAirbus , un demostrador de aviones VTOL de propulsión eléctrica . [36] El avión multirotor está diseñado para transportar cuatro pasajeros, inicialmente con un piloto y convertirse en piloto autónomo cuando las regulaciones lo permitan. [36] Su primer vuelo no tripulado estaba programado para finales de 2018 y se prevé que los vuelos tripulados sigan en 2019. [37] La certificación de tipo y la introducción comercial están previstas para 2023. [38]
Ingenuity , el pequeño sistema aéreo no tripulado (sUAS) de la NASA que voló a Marte en 2021 para convertirse en el primer avión extraterrestre, tiene un solo par de rotores coaxiales . El módulo de aterrizaje de helicópteros Dragonfly debería ser el segundo avión y helicóptero en operar en otro objeto astronómico además de la Tierra. Debería volar en la atmósfera de Titán a partir de 2034. Se incorporan capacidades VTOL para mover el módulo de aterrizaje y sus sensores a varios lugares más alejados del lugar de aterrizaje. [39]
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El 21 de octubre de 1973, el Militky MB-E1, un planeador a motor Brditschka HB-3 reconvertido por Fred Militky y pilotado por Heino Brditschka, voló durante 9 minutos desde Linz (Austria): el primer avión eléctrico que volaba por sus propios medios con una persona. a bordo, alimentado por baterías de níquel-cadmio (NiCad). [40] [41] Las baterías de NiCad tienen una mayor densidad de energía que las baterías de plomo-ácido , necesarias para alimentar un avión más pesado que el aire .
Tras un exitoso vuelo propulsado por humanos , un premio Kremer relanzado permitió a la tripulación almacenar energía antes del despegue. [42] En la década de 1980, varios diseños de este tipo almacenaban la electricidad generada al pedalear, incluido el MIT Monarch y el Aerovironment Bionic Bat. [43]
El proyecto FCD (demostración de pila de combustible) liderado por Boeing utiliza un planeador motorizado 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 muchos proyectos de bajo TRL para aviones innovadores de propulsión eléctrica o híbrida. El ENFICA-FC es un proyecto de la Comisión Europea para estudiar y demostrar un avión totalmente eléctrico 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 celdas de combustible y se puso en funcionamiento por primera vez en un avión ultraligero Rapid 200FC el 20 de mayo de 2010. [46]
El primer Green Flight Challenge 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 propulsado por gasolina y a otros aviones 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 en 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 kn). ) durante 3 km (1,6 millas náuticas) y al día siguiente, se convirtió en el primer planeador que remolcaba un avión eléctrico. [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 accesorios más pequeños. [55]
La startup estadounidense y británica ZeroAvia desarrolla sistemas de propulsión de pilas de combustible sin emisiones para aviones pequeños y prueba su HyFlyer en Orkney con el apoyo de £2,7 millones del gobierno del Reino Unido. [56]
El 29 de abril de 1979, el Mauro Solar Riser se convirtió en el primer avión impulsado por energía solar que transportaba a una persona y que volaba con células fotovoltaicas que entregaban 350 W (0,47 hp) a 30 voltios y cargaban una pequeña batería que alimentaba el motor. Tras una carga de 1,5 horas, la batería podría alimentar el avión durante 3 a 5 minutos para alcanzar una altitud de planeo. [57] Esto siguió a una prueba modelo exitosa en 1974, cuando se desarrollaron las células solares, al mismo tiempo que 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 construido originalmente como un avión propulsado por pedales para intentar cruzar el Canal de la Mancha, el avión resultó demasiado pesado para ser propulsado con éxito por energía humana y luego se convirtió 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 de Solar One tuvo lugar en Lasham Airfield , Hampshire, el 13 de junio de 1979. [60]
El pingüino MacCready Gossamer voló por primera vez con un piloto 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 Manston Royal Air Force en Manston , Inglaterra, permaneciendo en el aire 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] Empleaba 2499 células solares montadas en alas. [61]
El avión alemán de propulsión 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, el director del instituto. El diseño ganó el premio Berblinger en 1996, el premio EAA Special Achievement Award en Oshkosh, la medalla de oro Daidalos del Aeroclub alemán y el premio OSTIV en Francia en 1997. [63]
Solar Impulse 2 funciona con cuatro motores eléctricos. La energía de las células solares de las alas y del 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 en un avión solar, volando desde Madrid , España a Rabat , Marruecos. [66] [67] Completado en 2014, 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 Dhabi , Emiratos Árabes Unidos. [68] Debido al daño de la batería, la nave se detuvo en Hawaii , 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 Dhabi, completando su circunnavegación del mundo. [71]
Una aplicación es como motor de sustentación o incluso motor de autolanzamiento 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 sólo brevemente, ya sea para despegar o para evitar un aterrizaje forzoso (un aterrizaje no planificado durante el vuelo).
El primer avión eléctrico de producción no certificada disponible comercialmente, el planeador autolanzador Alisport Silent Club , voló en 1997. Opcionalmente está impulsado por un motor eléctrico de CC 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 propulsado eléctricamente se otorgó al Lange Antares 20E en 2003. También es un planeador/velero eléctrico, autopropulsado, de 20 m (66 pies), con un motor DC/DC sin escobillas de 42 kW (56 hp). y baterías de iones de litio , puede ascender hasta 3.000 m (9.800 pies) con las celdas completamente cargadas. [74] El primer vuelo se realizó en 2003. En 2011, el avión ganó el concurso Berblinger de 2011. [75]
A finales de la década de 2000, el fabricante chino de modelos radiocontrolados Yuneec International desarrolló y probó varios aviones tripulados de ala fija propulsados por baterías, incluido el E430 , el primer avión eléctrico diseñado para ser producido en serie, pero no logró comercializarlos (sólo se construyeron prototipos). A mediados de la década de 2010, recurrió al lucrativo mercado de drones de consumo.
El Taurus Electro fue el primer avión eléctrico biplaza que jamás voló, [76] mientras que el Taurus Electro G2 es la versión de producción, que se introdujo en 2011. Impulsado por un motor eléctrico de 40 kW (54 hp) y baterías de litio para se lanza automáticamente [77] a una altitud de 2000 m (6600 pies), después de lo cual el motor se retrae y el avión se eleva como un planeador. Se trata del primer avión eléctrico biplaza que se produce en serie. [78] [79]
Como la formación de pilotos se centra en vuelos cortos, varias empresas fabrican, o han demostrado, aviones ligeros adecuados para la formación inicial de vuelo. El Airbus E-Fan estaba destinado al entrenamiento de vuelo pero el proyecto fue cancelado. Pipistrel fabrica aviones eléctricos deportivos 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. También se reducen las emisiones sonoras y de escape 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 públicamente 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, que serán operados como avión de entrenamiento . [80]
El 12 de octubre de 2021, Diamond Aircraft anunció el desarrollo del e DA40 , con el objetivo de realizar un primer vuelo en 2022 y obtener la 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 costos operativos un 40% más bajos que los de pistón. El eDA40 tiene una variante de tres asientos prevista para un lanzamiento futuro. [82] El eDA40 realizó 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 aviones eléctricos 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 de aviones eléctricos, desde un avión pequeño, de una o dos personas, hasta 20 MW (27.000 hp). ) aviones de pasajeros . [84] Se conceden acuerdos de investigación de la NASA (NRA) para desarrollar componentes de propulsión eléctrica. [85] Ese programa fue cancelado en 2023.
En septiembre de 2017, la aerolínea británica de bajo coste 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 una prueba de concepto de dos asientos con 272 kg (600 lb) de baterías y cree que se pueden ampliar con nuevas químicas de baterías sustancialmente más livianas . Una autonomía de 540 km (291 millas náuticas) sería suficiente para el 20% de los pasajeros de Easyjet. [87] Wright Electric desarrollará entonces un avión de pasajeros de corto recorrido con 10 plazas y, eventualmente, un pasillo único para al menos 120 pasajeros, cuyo objetivo es un 50% menos de ruido y un 10% menos de costes. [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 que planea desarrollar un avión de pasajeros eléctrico de corta distancia, aprovechando su experiencia en sistemas de energía eléctrica para UAS pequeños. [90] Podría desarrollarlo internamente o con una startup como la israelí Eviation , la estadounidense Zunum Aero o Wright Electric. [90]
MagniX , con sede en Australia, ha desarrollado un Cessna 208 Caravan eléctrico con un motor de 540 kW (720 hp) para vuelos de hasta una hora. [91] El motor eléctrico Magni5 de la compañía produce continuamente 265 kW (355 hp), 300 kW (400 hp) máximo 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) y 50 kg (110 lb) por 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. La 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 1000 millas (800 y 1610 km) para 2024. [92] El motor funcionó en un dinamómetro de prueba durante 1000 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, que impulsa una hélice Cessna 206 . [93] El motor de producción producirá 280 kW (380 hp) a 1900 rpm, por debajo de las 2500 rpm del motor de prueba, lo que permitirá la instalación sin una caja de cambios reductora. [93] El 28 de mayo de 2020, la eCaravan Cessna 208B para nueve pasajeros con propulsión eléctrica MagniX voló con energía eléctrica, [94] hacia la certificación de operación comercial. [95]
Se instaló un motor eléctrico MagniX de 560 kW (750 hp) en un hidroavión De Havilland Canada DHC-2 Beaver . Harbour Air , con sede en Columbia Británica , esperaba introducir el avión 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 equipado, del Beaver para seis pasajeros fue reemplazado por un magni500 de 135 kg (297 lb) , con baterías intercambiables, que permitía vuelos de 30 minutos con una reserva de 30 minutos. [96] En abril de 2022, las pruebas de vuelo de una versión certificable a través de un STC se retrasaron hasta finales de 2023, para transportar cuatro pasajeros y un piloto en vuelos de 30 minutos con una reserva de 30 minutos. [97] Magnix busca la certificación de la FAA para su motor de avión Magni650 de 640 kW (850 CV), mientras que el proveedor de baterías H55 (una filial de Solar Impulse) busca 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 nmi) y su despegue corto de 300 m (980 pies) y distancia de aterrizaje. [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 cuyo vuelo está previsto para mediados de 2026. [98] Con una estructura de avión y un ala de aluminio convencionales, su alcance planificado es de 400 km (222 nmi) y espera operar desde pistas de tan solo 800 m (2640 pies). [98] Inicialmente dirigido a las aerolíneas que operan en los países nórdicos , Heart ha recibido "expresiones de interés" por 147 aviones ES-19 por un valor aproximado de 1.100 millones de euros o 1.300 millones de dólares estadounidenses (7,5 millones de euros o 8,8 millones de dólares cada uno) de al menos ocho aerolíneas. [98] Respaldado por el capitalista de riesgo sueco EQT Ventures , los gobiernos nórdicos y la Unión Europea , Heart fue financiado inicialmente por la agencia de innovación sueca Vinnova y es alumno de la aceleradora 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 medioambientales de la aviación sobre el cambio climático se han convertido en una importante fuerza impulsora para el desarrollo de aviones eléctricos, siendo el objetivo de algunos equipos de desarrollo un tren motriz eléctrico de cero emisiones. La aviación representa el 2,4 % de todas las emisiones de CO 2 derivadas de combustibles fósiles , y sus emisiones del transporte aéreo aumentaron en total un 32 % entre 2013 y 2018. [100] Si bien estimar los efectos no relacionados con el CO 2 de la aviación sobre el cambio climático es complejo, los NOx y las estelas de condensación podría aumentar esta responsabilidad hasta el 3,5%. [101] Otros beneficios son el potencial de reducción del ruido, en una industria con un grave problema de contaminación y reducción del ruido . [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 solar en energía eléctrica) producen alrededor de 150 a 200 W/m 2 (0,019 a 0,025 hp/pie cuadrado) bajo la luz solar directa. [103] Las áreas utilizables están 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 al sol y no estar enmascarados por la sombra. [104]
Entre 2010 y 2020, el costo de los módulos de energía solar disminuyó en un 90% y continúa bajando entre un 13% y un 15% por año. [105] La eficiencia de las células solares también ha aumentado sustancialmente, del 2% en 1955 al 20% en 1985, y algunos sistemas experimentales ahora superan 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 larga duración y gran altitud, donde el frío y la reducida interferencia atmosférica las hacen significativamente más eficientes que en tierra. [107] [108] La caída en la temperatura del aire seco a medida que aumenta la altitud, llamada tasa de caída ambiental (ELR) , tiene un promedio de 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 típica de un avión comercial de alrededor de 35,000 pies (11,000 m) será sustancialmente más baja que a nivel del suelo.
Los vuelos nocturnos, como los vuelos de resistencia y con aviones que brindan cobertura las 24 horas sobre un área, generalmente requieren un sistema de almacenamiento de respaldo, que se carga durante el día con el excedente de energía 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 penalización de peso mucho menor, particularmente a medida que aumenta la altitud. La tecnología sólo se ha demostrado en modelos pequeños y espera un desarrollo práctico a mayor escala. [110]
Para los vehículos motorizados que reemplazan los aerostatos atados, se puede conectar un cable de alimentación eléctrica a un suministro basado en tierra, como un generador eléctrico o la red eléctrica local . En altitudes bajas, 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 pesado se vuelve el 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 primeras baterías alimentaron aeronaves en el siglo XIX, pero las baterías de plomo-ácido eran muy pesadas y no fue hasta la llegada de otras sustancias químicas, como las de níquel-cadmio (NiCd), más adelante en el siglo XX, que las baterías se volvieron prácticas para aeronaves más pesadas que las anteriores. -aviones aéreos . Las baterías modernas son en su mayoría recargables basadas en tecnologías de litio.
Las baterías de polímero de litio (LiPo), un tipo de baterías de iones de litio (LIB), se utilizan desde hace 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 baterías de drones. [111] Incrementar el tiempo máximo de vuelo simplemente diseñando aviones más grandes usando baterías más grandes es ineficiente, debido al compromiso del alcance de la carga útil. Después de un cierto aumento en el peso de la batería, hay rendimientos decrecientes debido a que la penalización de masa no supera el aumento en 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 un avión eléctrico de pequeña escala de peso promedio (1500 kg) y densidad de energía promedio (150 Wh/kg) podría viajar un alcance de ~80 millas con un pasajero, ~60 millas. con dos, y menos de ~30 millas con tres. [113]
En 2017, la energía disponible de las baterías se estimó en 170 Wh/kg, 145 Wh/kg en el eje, incluida la eficiencia del sistema, mientras que una turbina de gas extraía 6.545 Wh/kg de potencia en el eje a partir de 11.900 Wh/kg de combustible. [114] En 2018, se estimó que las baterías de iones de litio , incluidos el embalaje y los accesorios, daban 160 Wh/kg, mientras que el combustible de aviación daba 12.500 Wh/kg. [115] En 2018, la energía específica del almacenamiento de electricidad todavía representaba solo el 2 % del combustible de aviación . [116] Esta relación de 1:50 hace que la propulsión eléctrica no sea práctica para aviones de largo alcance, ya que una misión de 500 millas náuticas (930 km) para un avión totalmente eléctrico 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 puede explotarse aún más a través de químicas de baterías emergentes. [118]
Para que la aplicación en aviones eléctricos sea viable, 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 demanda-energía del paquete y los segmentos sensibles de la misión, ya que la tasa C de descarga para el despegue es 4C mientras que es casi 5C para el aterrizaje. [121] [113] [ se necesita aclaración ] Las aeronaves eléctricas tienen necesidades adicionales de generación de calor y de final de vida, lo que requiere estrategias novedosas de gestión térmica, capacidades de atenuación de energía 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 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 sólo es adecuada para aviones pequeños, mientras que para aviones grandes de pasajeros se requeriría una mejora de la densidad de energía en 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 Harbour Air Beavers les cuesta alrededor de $0,10 canadienses por kWh en comparación con $2,00 por litro de gas, [102] proporcionando 33 MJ (9,2 kWh) de energía con un combustible de 44 MJ/kg y una densidad Avgas de 0,75. , 0,22 dólares por kWh de producto químico o 0,65 dólares por kWh de eje con una eficiencia de un tercio. Sin embargo, el combustible para aviones es más barato y las grandes turbinas de gas son más eficientes. En 2021, las tecnologías que van más allá de los iones de 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 lograr un rendimiento más competitivo de las aeronaves con baterías eléctricas. [123] [124]
Electro.Aero formó el comité SAE International AE-7D [125] en 2018 para estandarizar la carga y el almacenamiento de energía de aviones eléctricos. Uno de los primeros documentos desarrollados fue el estándar AS6968 para la carga de aviones eléctricos de submegavatios. El comité AE-7D también está desarrollando el Informe de información aeroespacial AIR7357 para carga a nivel de potencia de megavatios. Algunos aeropuertos cuentan con estaciones de carga para coches eléctricos que también pueden cargar aviones. [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 máximas más altas, sin estar tan limitado en el número de ciclos de carga-descarga, como el La reacción no es sólo química sino también eléctrica. [127] [ se necesita una mejor fuente ]
Sin embargo, su densidad de energía, normalmente alrededor de 5 Wh/kg, está muy por debajo de la de las baterías, y son considerablemente más caras, incluso si se tiene en cuenta su vida útil más larga. [128] [ se necesita 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 parecida a un motor de cohete de propulsor líquido , pero generando electricidad en una reacción química controlada, en lugar de empuje. Si bien los aviones deben transportar hidrógeno (o un combustible similar), con sus propias complicaciones y riesgos, el oxígeno puede obtenerse de la atmósfera.
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Casi todos los aviones eléctricos hasta la fecha han sido propulsados por motores eléctricos que accionan 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 homólogos con motor de pistón y, en aviones más pequeños utilizados 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 para evitarlo, 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 en 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 produce 315 hp (235 kW), [134] o 0,27 kg/kWh: necesita 10 kg de combustible para producir los mismos 37,2 kWh.
Además del motor en sí, 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% para contingencias 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 en vacío actual de un 19 plazas. [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.
El motor eléctrico experimental magniX magni500 de 750 shp (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 propulsan el Cessna 208 Caravan .
El aumento de potencia, combinado con modificaciones del Certificado de tipo suplementario (STC), puede compensar el peso de las baterías aumentando el peso operativo bruto del avión, incluido el peso de aterrizaje. [126] Los aviones que utilizan combustibles fósiles son más ligeros cuando aterrizan, lo que permite que la estructura sea más ligera. Con un avión propulsado por baterías, el peso sigue siendo el mismo y, por lo tanto, es posible que sea necesario reforzarlo. [126]
Un avión eléctrico híbrido es un avión con un sistema de propulsión eléctrico híbrido . Por lo general, despega y aterriza con energía eléctrica limpia y silenciosa, y navega con energía de pistón convencional o motor a reacción. Esto hace que los vuelos largos sean prácticos y al mismo tiempo 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 iónico mediante magnetohidrodinámica (MHD). [143] [144] MHD se ha utilizado para lograr 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 todo el mundo por fabricante.
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)Aterrizó a las 1504 BST... el viernes... despegó... a las 1440 BST (0640 hora local) del viernes 9 de julio.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Günter Rochelt fue el diseñador y constructor del Solair I, un avión solar de 16 m de envergadura... El 21 de agosto de 1983 voló en el 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
