Si todo va bien, la compañía congelaría el proyecto y gastaría miles de millones más en la construcción, certificación y fabricación de la versión de producción que podrían comercializarse para 2035.
Las versiones iniciales tendrían un alcance máximo de 3.700 km., lo que no daría para cruzar el Atlántico. De ahí que, al lado de estos proyectos, el consorcio europeo no pierde de vista los combustibles sostenibles SAF (Sustainable Aviation Fuel), indispensables para estas rutas de largo alcance.
Justo al otro lado del Atlántico, Boeing descarta hoy la opción del hidrógeno y basa su flota CeroNeto-Carbono del futuro en los combustibles sostenibles (SAF).
Figura 5: Tupolev Tu-155 con uno de sus motores alimentado con hidrógeno líquido, que voló en 1988. Los rusos alcanzaron en esa fecha el mismo nivel tecnológico que Estados Unidos en la década de los 50, pero con un avión de mayor envergadura.
Airbus señala que el interés por los aviones propulsados con hidrógeno no es nuevo y cita a la USAF, que realizó vuelos con ese elemento líquido en la década de los cincuenta o el ruso Tu-155 en 1980. Recientemente, los medios de comunicación han prestado atención, con demasiado optimismo a veces e incluso con cierta euforia en otras ocasiones, a la sustitución de los combustibles de origen fósil por el hidrógeno en los medios de transporte, en particular el transporte aéreo.
Figura 6: Detalle de sección del Tu-155. Nótese el depósito de hidrógeno líquido situado en el fuselaje posterior, según el detalle publicado por Tupolev en 2009.
Parece conveniente en A/L92, dedicada desde hace 400 números a este sector, presentar un resumen más ajustado de qué es lo se ha hecho en este campo, y de lo que se quiere hacer con la propulsión de los aviones con hidrógeno.
Veamos en primer lugar qué se ha hecho en el pasado, porque esto no es nuevo. El primer motor turborreactor que voló en el mundo fue el resultado del trabajo del Dr. Hans Joachim von Ohain. Manifestó en una ocasión que, cierto día, siendo aún estudiante de física, voló en el trimotor Junkers Ju-52 y quedó impresionado por las vibraciones y ruido que se percibían en la cabina del avión.
Hans Joachim von Ohain en la década de 1970.
Llegó a pensar de qué forma podía construirse un motor que funcionara de modo continuo, al estilo de las turbinas hidráulicas, sin las alternancias en la combustión en los pistones propia del motor alternativo, inductor principal de las vibraciones en la aeronave. Así, como joven estudiante de doctorado, Von Ohain concibió y construyó un motor demostrador a sus expensas. En 1934 ya había completado cálculos iniciales de diseño que pronosticaban velocidades superiores a 700 km/h. para el avión que equipara tal propulsor.
Trabajando con Max Hahn, un mecánico experto, construyó su primer motor, modelo que estaba plagado de problemas de combustión. El profesor Pohl, de la Universidad de Gottingen, donde cursaba el doctorado Von Ohain, presentó al joven físico a Ernst Heinkel, ya legendario fabricante de aviones, que estaba obsesionado por el vuelo de alta velocidad. Como resultado, Von Ohain, de 25 años, fue entrevistado por Heinkel y contratado. Allí proyectó el primer turborreactor que voló en el mundo.
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Figura 1: Heinkel He-178, el primer reactor, que voló el 27 de agosto de 1939. Alcanzaba una velocidad máxima de aproximadamente 650 km/h.
Fue un vuelo de 7 min. realizado por el piloto de pruebas Fritz Schaffer el 27 de agosto de 1939 en un avión Heinkel He 178 (Figura 1) impulsado por el motor HeS-3B de Von Ohain. Se completó de esta forma uno de los objetivos de esa época: demostrar la viabilidad de la propulsión por reacción de los aviones. Por cierto, Heinkel cuenta que el Ministerio del Aire alemán acogió con indiferencia la noticia del primer vuelo de esa aeronave.
Experimentando con el hidrógeno
La historia del hidrógeno como combustible para turborreactores está relacionada con estos acontecimientos. Comenzó en 1937, cuando se probó un motor experimental de Von Ohain denominado HeS-2 que funcionaba con ese elemento (Figura 2). En aquel momento, la razón de Von Ohain y los ingenieros de Heinkel para adoptar el hidrógeno como combustible fue el diseño de la cámara de combustión de los motores en estudio (Heinkel HeS-1 y HeS-2).
Figura 2: Sección parcial en esquema del motor Heinkel HeS-2.
Comprobaron que se necesitaba largo tiempo y esfuerzo de desarrollo si el motor se alimentaba con diesel, mientras que el uso de hidrógeno gaseoso podía servir de forma prácticamente inmediata a la experimentación de los proyectos. La razón es que sus límites de inflamabilidad son mucho más amplios que los que posee la gasolina o el diesel, ambos combustibles que se queman en una estrecha relación cuando se mezclan con el aire. Además, la velocidad de la llama del hidrógeno es mucho más alta que en esos carburantes.
Por consiguiente, con hidrógeno gaseoso aseguraban la combustión en la cámara del turborreactor, como así fue. Hacia 1938-39 habían perfeccionado esa cámara y, de hecho, el motor HeS-3B de Von Oahin del primer vuelo quemaba combustible diesel. Pasada la guerra, años más tarde, se iniciaron soluciones prácticas y, en efecto, como indica Airbus, la USAF encargó a Pratt & Whitney Aircraft un programa para investigar la viabilidad de empleo del hidrógeno líquido como combustible para motores de los aviones.
La idea militar en aquel tiempo era incrementar las actuaciones del avión cuando volaba a alta altitud, sobre todo en materia de reconocimiento aéreo en territorio enemigo. Estos esfuerzos comprendían, entre otros detalles, las pruebas del motor J57 modificado para funcionamiento con hidrógeno y el desarrollo de uno de ensayo, que se utilizaría -como hemos dicho- para el reconocimiento en vuelo supersónico. Con el impulso de las necesidades militares de mayor alcance y operación a mayor altitud de vuelo, se realizaron pruebas con hidrógeno líquido en el Centro de Investigación Lewis desde mediados de los años cincuenta del siglo pasado.
Se evaluaron tres motores turborreactores diferentes en túneles de altura, donde se podían rodar simulando condiciones de elevada altitud. Los propulsores eran J47, J65-B-3 y J71-A11. Se escogió el J65 y se montó en un B-57 junto con los componentes del sistema de suministro de hidrógeno. El depósito estaba montado en el borde del ala izquierda y había otro en la parte derecha, pero esta vez lleno de helio, que servía para presurizar el tanque de hidrógeno. Con uno de los motores funcionando con hidrógeno el avión voló con éxito en febrero de 1957.
Ensayos satisfactorios
El motor izquierdo del avión, configurado para utilizar hidrógeno, podía funcionar también con queroseno militar JP-4 para el despegue y el crucero inicial. Ya en vuelo a alta altitud, al 65 por ciento de la velocidad del sonido, la tripulación efectuaba la transición a operación con hidrógeno. La conmutación de uno a otro se realizaba en dos pasos: primero se purgaban las tuberías de combustible con las dos especies, queroseno e hidrógeno, durante 2 min., antes de cambiar a alimentación única de hidrógeno.
En el programa de ensayos se realizaron más de 40 transiciones. Una vez realizadas las pruebas, se llegó a la conclusión de que era necesario efectuar varios avances tecnológicos y resolver algunos problemas técnicos antes que la aplicación a la aviación militar, e incluso comercial, fuera factible. Había que seguir estudiando el rediseño de los motores para aprovechar mejor las características del hidrógeno y mejorar su rendimiento. Las actividades se cerraron más tarde, porque los estudios militares indicaron que los costes de suministrar hidrógeno líquido a todas las bases de aviones estratégicos serían excesivos.
Es cierto que las bases militares tienen instalaciones de oxígeno líquido para el sistema de a bordo de respiración de los pilotos, pero son pequeñas y nada comparables con las necesarias para hidrógeno líquido como combustible. En 1956-58 se inició un programa de pruebas en Pratt y Whitney patrocinado por la USAF. Su objetivo era el desarrollo de un motor a reacción de hidrógeno para el avión de reconocimiento Lockheed CL-400, con capacidad para volar a dos veces y media de la velocidad del sonido (Mach 2,5) a 30.000 m de altitud, con un alcance de 4.000 km. Véase una imagen artística en la Figura 3.
Figura 3: Ilustración del proyecto, secreto en aquel tiempo, Lockheed CL-400, con capacidad de volar a Mach 2,5 a alta altitud, de cara a reconocimiento aéreo sobre territorio enemigo.
En plena Guerra Fría se trataba de poner en el aire un avión de reconocimiento que mejoraba de forma notable las actuaciones del espía U-2. Se adaptó un motor a reacción J57 para funcionamiento con hidrógeno. La Figura 4 compara las diferencias entre ese propulsor que funcionaba con combustible militar JP-4 (parte inferior) y la versión modificada para hidrógeno en la parte superior. Se observa que existe notable disminución de la longitud total, debido a la corta cámara de combustión que emplea la versión con hidrógeno.
Figura 4: Comparación del motor J57 funcionado con combustible militar JP-4 (parte inferior) y la versión modificada para hidrógeno (foto Pratt & Whitney).
Es el resultado del buen comportamiento de inflamabilidad que tiene el hidrógeno. En operación, el hidrógeno líquido pasaba a través de un cambiador de calor, donde al aire atmosférico procedente de un compresor calentaba y vaporizaba el hidrógeno líquido, que se mantenía en el depósito a -253 ºC. Esto ocurría antes de entrar el hidrógeno gaseoso en la cámara de combustión. La amplia gama de inflamabilidad del elemento en el mezclado con el aire permitió un funcionamiento estable de la cámara de combustión, mucho más allá de los límites que tenía el JP-4 militar.
Este proyecto continuó hasta mediados de 1958, cuando se demostró que las capacidades requeridas para este tipo de motor de gran altitud también las satisfacía el J58, que utilizaba JP4 como combustible y para el que no había problemas de suministro, en lugar de la limitada capacidad de producción existente de hidrógeno líquido. También la cancelación del proyecto CL-400 vino de la mano de los avances tecnológicos realizados con el titanio, que hicieron obsoletas las aleaciones de aluminio para el vuelo supersónico de alta velocidad, material este último que estaba previsto para el CL-400.
Los años setenta
General Electric en los años setenta participó también en estudios de diseño y en programas de investigación y desarrollo relativos a la utilización del hidrógeno en los aviones. Estos esfuerzos fueron principalmente una consecuencia de los valores que alcanzó el precio del petróleo en aquellos años. Durante este periodo también se realizaron otros estudios apoyados por la NASA. Comprendían investigaciones sobre aviones subsónicos y supersónicos diseñados para utilizar queroseno sintético, hidrógeno líquido y metano líquido.
En la década de los ochenta, el TRUDf ruso realizó otras pruebas con aviones que utilizaban hidrógeno, con un avión experimental Tu-155 en el cual uno de los motores se convirtió para doble combustible, bien con queroseno y LH2, o con gas natural líquido (GNL) y queroseno. Este aparato (figuras 5 y 6), basado en el de Tu-154 de pasajeros, estaba provisto de un depósito de hidrógeno de 18 m. cúbicos en el fuselaje posterior.
Por razones de seguridad, toda la sección de combustible se llenaba con nitrógeno o se purgaba constantemente con aire del sistema de acondicionamiento de cabina del avión. El primer vuelo se realizó en abril de 1988 y duró 21 min. A diferencia de las anteriores pruebas en el aire con aviones que utilizaban hidrógeno, toda la misión se realizó con el motor funcionando con éste. Esta aeronave experimental realizó varios vuelos con el motor NK88 y todos sus sistemas funcionaron bien, sin ninguna parada, utilizando tanto LH2 como GNL.
Más recientemente, la preocupación por el medio ambiente se ha convertido en la fuerza motriz de la investigación y desarrollo hacia la introducción del hidrógeno en la flota comercial. Durante la década de 1990 los noventa, tanto Airbus como el fabricante de aviones ruso Tupolev dedicaron muchos esfuerzos para resolver los problemas que plantea la utilización a bordo de este combustible. En enero de 1992 se inició un programa de 58 meses, denominado Proyecto Piloto Euro-Quebec de Hidrógeno (EQHHPP), con participación de la industria aeronáutica y centros de investigación.
Tenía como objetivo establecer el potencial de reducción de óxidos de nitrógeno (NOx) al quemar hidrógeno y proporcionar directrices de diseño para el posterior desarrollo de cámaras de combustión de los motores. En la tercera fase del EQHHPP se llevaron a cabo modelos analíticos y pruebas experimentales de cámaras de combustión con bajo índice de emisión de óxidos de nitrógeno. Como resultado del proyecto se han sugerido configuraciones de cámaras de combustión que pueden ofrecer emisiones de NOx muy bajas.
En 2000 se inició el proyecto Cryoplane, patrocinado por la CE (Comisión Europea). Abarcó un periodo de dos años y contó con la participación de 36 socios de la industria, institutos de investigación y universidades. Se trataba de un análisis del sistema de utilización de hidrógeno líquido para la aviación civil subsónica, que abarcaba una serie de temas, desde los métodos de producción de hidrógeno hasta la compatibilidad medioambiental. Pero, ¿cuál es la situación con el combustible LH2 hoy día?
Creemos que se ha resumido en el prefacio de esta primera parte del artículo. Airbus está decidida a desarrollar esta tecnología de LH2... ¿para 2035? Boeing dice que hay muchas cortinas delante de estos proyectos y apuesta por los combustibles sostenibles... de momento. En una segunda parte del artículo veremos cuáles son los límites técnicos en el avión y la problemática de infraestructura que el empleo de LH2 introduce en los aeropuertos.
