Ciência

Aviação verde ganha asas com projetos de aeronaves elétricas

Aviação verde ganha asas com projetos de aeronaves elétricas

Com o rápido crescimento global das viagens aéreas, a conceção das aeronaves está apta para a descarbonização, mas um voo elétrico generalizado requer melhores baterias e sistemas mais leves.

À medida que a indústria da aviação emerge do impacto da pandemia de covid-19, quando o volume de passageiros caiu, o número de voos está de novo a aumentar. A indústria está a recuperar para níveis de viagens aéreas de passageiros pré-pandémicos, com algumas estimativas a preverem um crescimento superior a 40% até 2050.

Em geral, à parte as crises, as viagens aéreas de passageiros tendem a duplicar a cada 15 anos, sendo o setor da aviação também uma das fontes de emissões de gases com efeito de estufa (GEE) que crescem mais rapidamente. É hoje responsável por 2% das emissões globais de GEE, mas, a manter-se a trajetória atual, prevê-se que este valor possa triplicar até 2050 em relação aos níveis de 2015.

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Dado que o Pacto Ecológico Europeu apela a uma neutralidade climática até 2050, é necessária uma reinicialização verde para melhorar a sustentabilidade da aviação.

A aviação está a tornar-se mais eficiente com as melhorias dos motores, mas a descarbonização exige alternativas às aeronaves atuais sequiosas de combustível fóssil.

Os sistemas de propulsão híbridos-elétricos e totalmente elétricos oferecem uma resposta. Estes motopropulsores estão já a ganhar força no chão, com as vendas globais de carros elétricos a duplicar no ano passado para 6,6 milhões.

Estão em curso numerosos projetos para a aviação, mas estes enfrentam muitos desafios, entre os quais o enorme peso das baterias. No entanto, encontrar alternativas amigas do ambiente que sejam simultaneamente de alto desempenho e rentáveis é de "importância primordial", considera Fabio Russo, chefe da investigação e desenvolvimento do fabricante de aeronaves Tecnam em Cápua, Itália.

Escalabilidade

Russo liderou o projeto H3PS (High Power High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), que investigou o potencial dos sistemas híbridos-elétricos nas chamadas aeronaves de "aviação geral" (GA na sigla inglesa).

Abrangendo mais de 400 mil aeronaves civis em todo o mundo, esta categoria inclui aviões privados, jatos particulares, helicópteros e outros, mas não aviões comerciais.

Trata-se de aeronaves que tendem a ser relativamente pequenas, pelo que a iniciativa H3PS as considera um primeiro passo para o desenvolvimento de sistemas de propulsão elétrica para voos mais longos.

"Precisamos hoje de soluções ambientais, e o projeto H3PS foi feito para provar uma solução eficiente, de baixo peso e escalável", disse Russo.

"Escalável significa que pode mover este conceito de um avião de quatro lugares para um avião de 11 ou, eventualmente, mais lugares".

Motopropulsores híbridos

O projeto também envolveu a Rolls-Royce e o fabricante de motores Rotax. Um dos objetivos era pilotar um avião de quatro lugares movido pelo que é conhecido como "motor híbrido paralelo", que combina tanto um motor de combustão interna tradicional como um motor elétrico.

O sistema de propulsão híbrida pode dar um "impulso" de potência à aeronave durante fases de voo, tais como descolagem e subida, diz Russo. Com um híbrido, pode, por exemplo, utilizar um motor de combustível com uma potência inferior à normal e permitir à aeronave descolar e subir com um motor elétrico. "Pode, portanto, ter acesso a um motor de baixo consumo de combustível", explica o investigador.

Esta abordagem permite uma redução do tamanho e peso do motor, permitindo a inclusão da bateria do motor elétrico sem adicionar peso significativo ao sistema.

No final do ano passado, o projeto conseguiu elevar-se aos céus com o seu avião Tecnam P2010 H3PS. Sendo os primeiros aviões de quatro lugares a fazê-lo utilizando um sistema híbrido paralelo, o H3PS destacou a realização como "um marco importante na viagem da indústria aeronáutica rumo à descarbonização e à I&D em motopropulsoes alternativos".

Economia de bateria

No entanto, Russo salientou que o projeto consistia em demonstrar a viabilidade de tais aeronaves, em vez de criar um produto para o mercado. "Há ainda caminho a percorrer para os tornar realidade em larga escala. Há muitas limitações em termos de economia por detrás do desenvolvimento deste tipo de motor e aeronave".

Um fator limitativo fundamental é a forma como as pilhas se deterioram à medida que passam pelo ciclo de recargas. Continuar a substituí-las em intervalos de poucos meses, segundo a perceção de Russo, pode representar um custo elevado.

Ele acredita que as melhorias dependem de um verdadeiro impulso, apoiado pela indústria de fabrico de baterias, para desenvolver a tecnologia das baterias, reduzindo ao mesmo tempo os custos de envio e de desmantelamento, e melhorando a economia circular.

"Uma economia local para o fabrico de baterias é essencial", diz Russo. "Isto significa também economia de CO2 não só durante a operação, mas muito antes e depois da utilização da bateria numa aeronave".

Acrescentou que devemos concentrar-nos no ciclo de vida completo de ponta a ponta e no impacto dos produtos, pensando nos componentes das aeronaves como um todo.

Híbridos viáveis

Russo acredita que as aeronaves híbridas poderiam tornar-se mais viáveis economicamente até 2030, com enorme potencial de poupar nas emissões em certas fases de voo.

Um teste realizado pela sua equipa indicou uma potencial redução de 50% nas emissões de carbono durante a descolagem e a subida inicial, e 20% durante toda a viagem de três horas, resultante de uma menor quantidade de combustível utilizado.

"No final do voo, quando medimos o combustível que consumimos, a diferença era notável", disse Russo.

Outros projetos estão a investigar como otimizar diferentes componentes para futuros sistemas de aviação de propulsão elétrica de modo a torná-los tão leves quanto possível, mais seguros e eficientes.

Interferência electromagnética

Por exemplo, o projeto EASIER tem vindo a conceber sistemas para limitar a interferência electromagnética (EMI) entre componentes que podem afetar o funcionamento das aeronaves. A equipa está também a investigar métodos térmicos mais eficientes a dissipar o calor gerado pelos componentes elétricos. Tudo isto enquanto se tenta assegurar que a aeronave permanece leve, tendo em conta o tamanho e o peso das baterias atuais.

Ignacio Castro, engenheiro principal da Collins Aerospace, sediada em Cork, Irlanda, é o coordenador da EASIER. Castro revela que o projeto tem estado a estudar as opções de filtragem e cablagem EMI menos volumosos e mais leves para os motopropulsores em aeronaves, para além dos sistemas e métodos de arrefecimento "bifásicos" para melhorar as taxas de transferência de calor para o exterior das aeronaves.

Explicou que é necessário preparar agora o futuro a longo prazo dos sistemas elétricos. "Qualquer alteração que fizermos numa aeronave para a tornar mais ecológica pode vir a aumentar o seu peso", alerta.

"Isso também aumenta a quantidade de combustível consumido, pelo que podemos não ter uma aeronave que esteja totalmente pronta para voar. Precisamos de tornar as coisas mais pequenas".

Alguns dos próximos trabalhos do projeto EASIER envolvem mais investigação sobre o compromisso entre os métodos. "A ideia é que vamos ver como os sistemas térmicos estão a afetar o EMI e vice-versa, para ver quais são as implicações", acrescentou.

Compromissos

É preciso compreender uma série de compromissos quando se trata de fabricar aeronaves elétricas. Por exemplo, fabricar modelos mais pequenos diminui o peso, mas pode fazer com que as coisas aqueçam mais rapidamente, tal como uma casa pequena aquece mais rapidamente quando aquecida. "É o tipo de compromisso entre peso, tamanho e eficiência, e não é assim tão simples".

Acrescentou ainda que a integração das tecnologias individuais num sistema global de aeronaves que funcione bem, será fundamental na investigação futura. "Trata-se de compreender como devem ser as arquiteturas para serem fabricadas da forma mais eficiente possível", prosseguiu.

Comparando com a construção, salientou que não se pode simplesmente juntar tijolos de qualquer forma para fazer um edifício. "É preciso juntar as coisas de uma forma que seja inteligente no contexto da utilização da energia", disse.

Direção certa

Embora existam muitas questões complexas a resolver na aviação elétrica, Castro acredita que as coisas estão a começar a avançar na direção certa. "Penso que estamos a tomar os caminhos certos para a aviação híbridoelétrica, e há muito interesse e muitos programas", disse. "Esse seria o primeiro passo para começar a reduzir as emissões de carbono".

Garantir que estes novos sistemas funcionem sem problemas e em segurança é também essencial. A segurança é primordial e um único acidente é suficiente para gerar grandes manchetes e muito medo.

Isso mostra que é preciso ter muito cuidado com os desenvolvimentos. "Há um risco ao dizer que as coisas vão ser ótimas, em particular porque tudo tem de ser extremamente fiável para as aeronaves", salientou o investigador. "É uma mudança de paradigma na tecnologia".

É também necessário um grande investimento e há muitas questões a abordar nas próximas décadas, acrescentou. "O desafio para as emissões líquidas-zero na UE até 2050 é enorme, e não creio que neste momento alguém tenha uma resposta definitiva", disse o Dr. Castro. "É a questão de um milhão de dólares".

A investigação deste artigo foi financiada pela EU que foi originalmente publicado na Horizon, a Revista de Investigação e Inovação da UE. 

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