La eliminación de las emisiones de gases en los aviones es una posibilidad

terralink 23 Nov, 2018 Blog

Un truco de fabricación con campos magnéticos produce una batería que puede descargarse lo suficientemente rápido para que un avión despegue de la tierra.

El profesor de ingeniería mecánica CMU Venkat Viswanathan y el profesor de ciencia de materiales del MIT Yet-Ming Chiang están desarrollando una nueva batería específicamente diseñada para un avión híbrido avanzado.

Los modelos moleculares correctamente coloreados B alinean dos paredes de la oficina de Yet-Ming Chiang en el MIT. Chiang, un profesor de ciencias de los materiales y empresario de baterías seriales, ha pasado gran parte de su carrera estudiando cómo los arreglos ligeramente diferentes de esos bastones y esferas se suman a resultados radicalmente diferentes en el almacenamiento de energía.

Pero él y su colega, Venkat Viswanathan, están adoptando un enfoque diferente para alcanzar su próximo objetivo, no alterando la composición de las baterías sino la alineación de los compuestos dentro de ellas. Aplicando fuerzas magnéticas para enderezar el tortuoso camino que los iones de litio navegan a través de los electrodos, los científicos creen que podrían aumentar significativamente la velocidad a la que el dispositivo descarga electricidad.

Ese golpe de poder podría abrir un uso que ha sido eludido durante mucho tiempo a las baterías: satisfacer las enormes demandas de un avión de pasajeros durante el despegue. Si funciona como se espera, permitiría vuelos de cercanías regionales que no queman combustible ni producen emisiones climáticas directas.

Viswanathan, profesor asistente de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon, inició y está liderando el proyecto de investigación. Él y Chiang ahora están colaborando con 24M, el fabricante de baterías de iones de litio Chiang cofundado en 2010, y Zunum Aero, una nueva aeronave con sede en Bothell, Washington, para desarrollar y probar baterías prototipo específicamente diseñadas para las necesidades de un avión híbrido avanzado.

 

 

 

 

 

 

Altas estacas

La eliminación de las emisiones de gases de efecto invernadero de los aviones es uno de los desafíos más difíciles en el rompecabezas del clima. Los viajes aéreos representan alrededor del 2% de las emisiones globales de dióxido de carbono y es una de las fuentes de contaminación de gases de efecto invernadero de más rápido crecimiento.

Pero hoy no hay alternativas limpias para más de una pequeña astilla de viajes aéreos, ya que las baterías que funcionan con automóviles eléctricos son aún demasiado caras, pesadas y, por lo demás, poco adecuadas para la aviación.

Más de una docena de compañías, entre ellas Uber, Airbus y Boeing, ya están explorando el potencial de electrificar aviones pequeños, creando el equivalente de taxis voladores que pueden cubrir alrededor de 100 millas (161 kilómetros) con una tarifa. La esperanza es que estos vehículos de uno o dos pasajeros, en la mayoría de los casos concebidos como aeronaves autónomas de despegue y aterrizaje vertical, podrían acortar los viajes diarios, aliviar la congestión y reducir las emisiones de los vehículos. Pero estos reemplazarán en gran medida los viajes en automóvil para los ricos, no desplazarán el transporte aéreo.

Viswanathan y Chiang apuntan más alto. El plan inicial es desarrollar una batería que pueda alimentar a un avión de 12 personas con 400 millas (644 kilómetros) de alcance, suficiente para hacer viajes desde, por ejemplo, San Francisco a Los Ángeles o Nueva York a Washington. En una segunda fase, esperan habilitar un avión eléctrico capaz de transportar a 50 personas a la misma distancia.

Tales aviones todavía estarían equipados con un motor de combustión y transportarían combustible. Pero el combustible estaría en gran parte a bordo para lograr el “requisito de reserva” de seguridad de la Administración Federal de Aviación de los EE. UU., Que instruye a las aeronaves para que lleven lo suficiente para aterrizar en un aeropuerto a 200 millas (322 kilómetros) del destino previsto. En un vuelo normal, los aviones no deberían tener que aprovechar ese combustible.

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Una batería codiciosa

Durante una reunión en la oficina de Chiang a principios de septiembre, Viswanathan subrayó los desafíos de la electrificación de la aviación al desplegar un cuadro que muestra el perfil de descarga de una batería a través de una ruta de vuelo. Es un muro alpino en los primeros minutos del vuelo. Luego cae dramáticamente a una meseta larga y plana a medida que el avión alcanza la altitud de crucero.

En otras palabras, una batería debe ser capaz de entregar una cantidad masiva de energía al despegar, y tener suficiente densidad de energía para recorrer al menos cientos de millas. Pero para trabajar dentro de los límites de la física y la economía de las aeronaves, también debe ser lo más duradero y liviano posible, y capaz de cargarse rápidamente, o al menos, como lo planea Zunum, capaz de ser fácilmente intercambiado por una batería completamente cargada. entre vuelos.

Viswanathan señala que una batería estándar de estilo Tesla puede marcar las dos primeras casillas. Pero el despegue sería como conducir un Modelo S en “modo ridículo” durante cuatro minutos en lugar de unos pocos segundos, generando una enorme cantidad de calor.

Para que las baterías de iones de litio se descarguen a una velocidad lo suficientemente rápida como para que las aeronaves requieran que los iones y los electrones fluyan a través de la batería, especialmente los electrodos. Una opción es hacer que los materiales de los electrodos sean más porosos o más delgados, pero cualquiera de esos cambios tendría un alto costo para la densidad de energía.

Así que, en lugar de eso, los investigadores están explorando formas de enderezar los caminos de torsión a través del carbono, los compuestos de cobalto y otros materiales estrechamente empaquetados en los electrodos.

Como en muchas ilusiones mágicas, el truco se basa en imanes.

En un artículo de 2016 en Nature Energy , Chiang, el investigador del MIT Jonathan Sander y sus colegas demostraron que la mezcla de nanopartículas magnéticas en los materiales de los electrodos y la aplicación de un campo magnético de luz ayudaron a crear vías alineadas a través de los electrodos.

Pruebas posteriores encontraron que la capacidad de descarga de estos electrodos, o la velocidad a la que los electrones pueden salir de la batería, era más del doble que la de las baterías de iones de litio convencionales, sin sacrificar la densidad de energía.

“Se está abriendo una nueva dirección en lo que podemos sacar de las baterías para la aviación eléctrica”, dijo Chiang.

Los investigadores ahora están trabajando con 24M en Cambridge, Massachusetts, donde Chiang también se desempeña como científico jefe, para desarrollar y probar prototipos de baterías utilizando este enfoque magnético. Si todo va bien, Zunum trabajará con los investigadores para evaluar los prototipos en lo que se conoce como pruebas de “pájaro de cobre”, en las que todos los sistemas de electricidad del avión se evalúan en tierra. Eventualmente, también podrían ser probados en vuelos reales.

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