Aviación apuesta a la innovación para lograr cero emisiones

La aviación es responsable del 2,4% de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global y se espera que ese porcentaje aumente en los próximos años, ya que se prevé un crecimiento del 4% anual en el transporte de pasajeros. Esto incluso tras la pandemia.

Esta tendencia de crecimiento era mucho más evidente antes de COVID-19. El número total de pasajeros transportados anualmente superó los 4.000 millones en 2017. Además, las aeronaves tienen, por término medio, mayor capacidad de asientos y operan con mayor factor de carga. 

En cuanto a su contribución al cambio climático, la aviación emite dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O), óxidos de nitrógeno (NOx), aerosoles de sulfato, compuestos de combustión incompleta (hidrocarburos no quemados) y partículas (hollín).

Esos gases y partículas se acumulan en la atmósfera y alteran una amplia gama de procesos atmosféricos. Por ejemplo, se favorece la formación de cirros de estela o estelas de condensación, que dependen de los parámetros de la aeronave y el combustible así como las condiciones atmosféricas. Las estelas de condensación influyen en la radiación solar entrante y en la radiación infrarroja saliente de la Tierra, por lo que coadyuvan al calentamiento del planeta.

En un esfuerzo de mitigación, el Consejo Consultivo de Investigación e Innovación Aérea en Europa (ACARE, por sus siglas en inglés) fijó metas de reducción del 75% de las emisiones de CO2 y del 90% de las de NOx por pasajero-km para 2050, esto con respecto a línea base (año 2000), según consta en su Flightpath 2050.

Por su parte, la Organización de Aviación Civil Internacional (ICAO, por sus siglas en inglés) acordó un plan de medidas para reducir el crecimiento de las emisiones. Este esquema es el Sistema de Compensación y Reducción de Carbono para la Aviación Internacional (CORSIA), el cual establece que las emisiones deben reducirse a través de aviones más eficientes o el uso de combustibles más sostenibles.

De hecho, el transporte aéreo enfrenta retos críticos de descarbonización debido a la limitada disponibilidad de estrategias de mitigación como combustibles bajos en carbono, eficiencia energética de las aeronaves, eficiencia operativa, etc.

En este sentido, el sector pone sus esperanzas en la ciencia y la innovación en procura de avances tecnológicos que sean viables. 

Aviones eléctricos

A nivel mundial, la electrificación empezó en el transporte terrestre y el siguiente paso que se vislumbra es precisamente en la aviación, esto porque el 45% de los vuelos mundiales se dan en menos de 800 kilómetros y esto los pone al alcance de los aviones eléctricos o híbridos.

A la fecha, el Departamento de Energía de Estados Unidos ha realizado dos desembolsos para financiar investigación en este tema. El primero de ellos fue anunciado en 2019 cuando le otorgó $55 millones a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E, por sus siglas en inglés), con el fin de financiar dos programas orientados al desarrollo de tecnología de motores eléctricos y sistemas de propulsión de bajo coste.

En el 2020, estos dos programas de ARPA-E volvieron a recibir $33 millones de parte del Departamento de Energía de Estados Unidos para subvencionar 17 proyectos dirigidos a aviones híbridos.

Uno de los proyectos de ARPA-E, por ejemplo, está innovando en electrónica de potencia, la cual será esencial en el desarrollo de la aviación eléctrica, ya que acondiciona, controla y convierte la energía eléctrica para proporcionar condiciones óptimas de distribución y consumo en el motor eléctrico así como en los componentes auxiliares.

Para las pruebas operativas en vuelo, los investigadores de ARPA-E cuentan con la colaboración de Ampaire Inc., que proporcionará un avión de pruebas específico para el proyecto. Se trata de un Cessna 337 reconvertido, el 337 Electric EEL, una aeronave con propulsión eléctrica híbrida enchufable, que permitirá probar las tecnologías a gran altura (hasta seis kilómetros).

Gracias a esa alianza, los investigadores podrán probar nuevos sistemas de distribución de energía, electrónica de alta potencia, inversores, motores, hélices, ventiladores canalizados, baterías, pilas de combustible y motores de combustión de alta eficiencia, ya sea directamente o como generador.

Asimismo, empresas comerciales como Rolls-Royce están invirtiendo en el desarrollo de aviones eléctricos. Su meta está fijada para 2026, año en que comercializarán su primer avión eléctrico con capacidad para 11 pasajeros.

Por su parte, Airbus viene recorriendo el camino de la aviación eléctrica e híbrida desde 2010. Su proyecto E-Fan X, aunque no surque el cielo, ciertamente ha proporcionado valiosa información sobre la propulsión híbrida-eléctrica en serie. Las lecciones aprendidas con E-Fan X servirán para idear aeronaves grandes de uso comercial. La meta de la empresa está fijada al 2035. 

En cuanto a aviones de hidrógeno, British Airways y otros inversores colocaron $24,3 millones para que Zero Avia acelere el desarrollo de aviones de más de 50 plazas, tras su éxito con aeronaves pequeñas. La idea es contar con aviones comerciales de esta capacidad dentro de cinco años y escalar a 100 asientos para el 2030.

Si bien las acciones en investigación y desarrollo para la consecución de aviones eléctricos e híbridos ya lleva camino recorrido, su puesta en práctica aún tiene un horizonte muy lejano.  Ante este panorama, la investigación en combustibles alternativos aparece como la opción al corto y mediano plazo.

Combustibles alternativos

Más que utilizarse en transporte terrestre o calefacción, el hidrógeno se posiciona como una opción viable para sectores que no pueden ser electrificados de inmediato, como es el caso de la aviación.

En un estudio del Instituto de Potsdam para la Investigación del Impacto Climático, publicado en Nature Climate Change en mayo, los investigadores explicaron que el hidrógeno verde se produce mediante un proceso llamado electrólisis. Para romper las moléculas estables de agua en hidrógeno y oxígeno, se necesita mucha electricidad. El hidrógeno puede utilizarse entonces para sintetizar combustibles de hidrocarburos añadiendo carbono del dióxido de carbono.

Los electrocombustibles o e-combustibles resultantes son más fáciles de almacenar y transportar que la electricidad o el hidrógeno puro. “Lo más importante es que los e-combustibles pueden quemarse en procesos de combustión y motores convencionales y, por tanto, sustituir directamente a los combustibles fósiles”, declaró el investigador Gunnar Luderer y agregó: “sin embargo, dada su limitada disponibilidad, sería un error pensar que los fósiles pueden sustituirse totalmente de esta manera”.

Bryan Willson, director del Instituto de Energía de la Universidad Estatal de Colorado, considera que el hidrógeno es parte de la solución, principalmente para la aviación. “Es difícil poner baterías en los aviones”, comentó. Eso sí, el hidrógeno era más atractivo con la nueva generación de vehículos eléctricos que va desde camiones, trenes hasta aviones.

Para el investigador de la Universidad Estatal de Colorado, el foco ahora está puesto en la nueva generación de biocombustibles o biocombustibles de avanzada. “Hasta ahora, los biocombustibles, como el etanol, proceden principalmente del almidón de las plantas.  El nuevo enfoque es realmente cómo utilizar toda la planta -los lignanos, la celulosa, la hemicelulosa- y cómo convertir esas moléculas recalcitrantes en combustibles”, explicó. 

En 2020, el Centro de Investigación de Energía Limpia del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST, por sus siglas en inglés) anunció el desarrollo de una tecnología que puede usarse para producir en masa combustibles de calidad para la aviación a partir del aceite derivado de los residuos de la madera.

La lignina constituye entre el 20% y el 40% de la lignocelulosa, incluida la madera y la hierba. En los procesos de fabricación de pasta de papel se generan grandes volúmenes de lignina como residuo.

La pirólisis de la lignina, degradación térmica de una sustancia en ausencia de oxígeno, produce un aceite que tiene poca utilidad industrial debido a su alta viscosidad. Por esta razón, las fábricas de papel suelen utilizar los residuos de lignina como combustible de baja calidad para las calderas.

Los investigadores de KIST recurrieron al hidrocraqueo, una técnica que se utiliza para descomponer el petróleo crudo, para preparar el aceite de lignina para ser utilizado con propósitos industriales. “El producto final de combustible, similar al contenido del combustible para aviones, tiene un punto de congelación bajo en comparación con la gasolina y el gasóleo, y tiene una alta densidad de energía, siendo apto como biocombustible de avión”, explicaron los investigadores en un comunicado.

Por su parte, investigadores de diversas universidades estadounidenses, en un estudio publicado este año en PNAS, informaron sobre los resultados obtenidos por un método de su autoría que busca convertir ácidos grasos volátiles (AGV) de los residuos alimentarios en combustible de aviación, el cual produce poco hollín y emisiones de gases de efecto invernadero.

Para ello, los investigadores recuperaron las moléculas de los residuos alimentarios sometidos a fermentación. Utilizando un catalizador heterogéneo, convirtieron los AGV en parafina, un hidrocarburo utilizado en el combustible de aviación.

Alterando la estructura de la parafina y la mezcla para resolver las limitaciones de viscosidad y punto de inflamación, los investigadores consiguieron una mezcla del 70%, que producía un 34% menos de hollín que el combustible fósil para aviones.

Según los autores, el análisis del ciclo de vida reveló que el desvío de residuos alimentarios de los vertederos a la producción de AGV para el combustible de aviación sostenible podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta un 165%, en comparación con los combustibles fósiles convencionales para aviones.

Estados Unidos, por ejemplo, está interesado en seguir investigando en combustibles alternativos para aviación. “Tenemos una inversión convincente de $174.000 millones para la electrificación del transporte, que, por cierto, no es necesariamente nuestra única inversión en combustibles alternativos.  También tenemos programas relacionados con los puertos y, como he mencionado, con los combustibles sostenibles para la aviación”, dijo Andrew Wishnia, Subsecretario de Política Climática de la Oficina del Subsecretario de Política de Transporte del Departamento de Transporte de los Estados Unidos. 

No es suficiente

“Las mejoras tecnológicas de los motores, las estructuras y las operaciones no bastarán para reducir suficientemente el impacto de la aviación en el cambio climático. Debemos explorar paralelamente todas las opciones de mitigación, incluido el mayor uso de combustibles sostenibles y las medidas basadas en el mercado para limitar el impacto de la aviación en el medio ambiente”, manifestó Simon Blakey, profesor titular de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Birmingham, a propósito de la publicación de un estudio en Nature Communications en que funge como coautor.

Los investigadores incluso mencionan cambios de comportamiento con respecto a viajar. Por ejemplo, preferir conferencias online en vez de reuniones cara a cara.

Científicos de la Universidad de Reading incluso señalan que las aerolíneas podrían ahorrar combustible y reducir las emisiones en los vuelos transatlánticos si aprovechasen mejor la corriente en chorro.

En un reciente estudio, publicado en Environmental Research Letters, los investigadores analizaron 35.000 vuelos, en ambas direcciones, entre Nueva York y Londres desde el 1 de diciembre de 2019 hasta el 29 de febrero de 2020. El equipo comparó el combustible utilizado durante estos vuelos con la ruta más rápida que habría sido posible en ese momento volando hacia o alrededor de las corrientes de aire de la corriente en chorro hacia el este.

Descubrieron que aprovechar mejor los vientos habría ahorrado unos 200 kilómetros de combustible por vuelo, en promedio, lo que supone una reducción total de 6,7 millones de kilogramos de emisiones de dióxido de carbono durante el periodo invernal. El ahorro medio de combustible por vuelo fue del 1,7% cuando se volaba al oeste hacia Nueva York y del 2,5% cuando se volaba al este hacia Londres.