Motor eléctrico de megavatios diseñado por ingenieros del MIT podría ayudar a electrificar la aviación

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La enorme huella de carbono de la aviación podría reducirse significativamente con la electrificación. Sin embargo, hasta la fecha, solo han despegado pequeños aviones totalmente eléctricos. Sus motores eléctricos generan cientos de kilovatios de potencia. Para electrificar jets más grandes y pesados, como aviones comerciales, se requieren motores a escala de megavatios. Estos serían propulsados ​​por sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos donde una máquina eléctrica está acoplada con un motor aeronáutico de turbina de gas.

Para satisfacer esta necesidad, un equipo de ingenieros del MIT está creando un motor de 1 megavatio que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. El equipo ha diseñado y probado los principales componentes del motor y ha demostrado mediante cálculos detallados que los componentes acoplados pueden funcionar como un todo para generar un megavatio de potencia, con un peso y un tamaño competitivos con los motores aeronáuticos pequeños actuales.

Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una celda de combustible. El motor podría entonces convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turboventilador tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases de un vuelo.

"No importa lo que usemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible), independientemente de todo eso, los motores de clase de megavatios serán un factor clave para la ecologización de la aviación", dice Zoltan Spakovszky, profesor de T. Wilson. en Aeronáutica y el Director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT, quien lidera el proyecto.

Spakovszky y los miembros de su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo en una sesión especial del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica - Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) en la conferencia de Aviación en junio.

El equipo del MIT está compuesto por profesores, estudiantes y personal de investigación de GTL y el Laboratorio de Sistemas Electrónicos y Electromagnéticos del MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault y Mohammad Qasim, junto con Marc Amato de Innova-Logic LLC. El proyecto está patrocinado por Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Material pesado

Para evitar los peores impactos del cambio climático inducido por el hombre, los científicos han determinado que las emisiones globales de dióxido de carbono deben llegar a cero neto para 2050. Cumplir este objetivo para la aviación, dice Spakovszky, requerirá "logros de cambio radical" en el diseño de aviones no convencionales. aviones, sistemas de combustible inteligentes y flexibles, materiales avanzados y propulsión electrificada segura y eficiente. Varias empresas aeroespaciales se centran en la propulsión electrificada y el diseño de máquinas eléctricas a escala de megavatios que son lo suficientemente potentes y ligeras para propulsar aviones de pasajeros.

"No existe una bala de plata para que esto suceda, y el diablo está en los detalles", dice Spakovszky. "Esto es ingeniería dura, en términos de co-optimización de componentes individuales y hacerlos compatibles entre sí mientras se maximiza el rendimiento general. Para hacer esto significa que tenemos que superar los límites en materiales, fabricación, gestión térmica, estructuras y rotordynamics, y potencia electrónica"

En términos generales, un motor eléctrico utiliza fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos, como los que alimentan el ventilador de su computadora portátil, usan energía eléctrica (de una batería o fuente de alimentación) para generar un campo magnético, generalmente a través de bobinas de cobre. En respuesta, un imán colocado cerca de las bobinas gira en la dirección del campo generado y puede impulsar un ventilador o una hélice.

Las máquinas eléctricas existen desde hace más de 150 años, con el entendimiento de que, cuanto más grande es el aparato o vehículo, más grandes son las bobinas de cobre y el rotor magnético, lo que hace que la máquina sea más pesada. Cuanta más energía genera la máquina eléctrica, más calor produce, lo que requiere elementos adicionales para mantener los componentes fríos, todo lo cual puede ocupar espacio y agregar un peso significativo al sistema, lo que lo convierte en un desafío para las aplicaciones de aviones.

"Las cosas pesadas no van en los aviones", dice Spakovszky. "Así que tuvimos que idear una arquitectura compacta, liviana y poderosa".

Buena trayectoria

Según su diseño, el motor eléctrico y los componentes electrónicos de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada que pesa menos que un pasajero adulto.

Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una matriz de imanes con orientación variable de polaridad; un estator compacto de baja pérdida que encaja dentro del rotor y contiene una intrincada serie de bobinados de cobre; un intercambiador de calor avanzado que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina; y un sistema de electrónica de potencia distribuida, hecho de 30 tableros de circuitos hechos a la medida, que cambian con precisión las corrientes que corren a través de cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.

"Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente co-optimizado", dice Spakovszky. "Lo que significa que hicimos una exploración espacial de diseño muy extensa en la que todas las consideraciones, desde la gestión térmica hasta la dinámica del rotor, la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, se evaluaron de manera integrada para descubrir cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida". en un megavatio".

Como un sistema completo, el motor está diseñado de tal manera que las placas de circuitos distribuidos están estrechamente acopladas con la máquina eléctrica para minimizar la pérdida de transmisión y permitir un enfriamiento efectivo del aire a través del intercambiador de calor integrado.

"Esta es una máquina de alta velocidad, y para mantenerla girando mientras crea un par, los campos magnéticos deben viajar muy rápido, lo que podemos hacer a través de nuestras placas de circuito cambiando a alta frecuencia", dice Spakovszky.

Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales individualmente y ha demostrado que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que superan las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico completamente funcional y comenzar a probarlo en el otoño.

"La electrificación de los aviones ha ido en constante aumento", dice Phillip Ansell, director del Centro para la Aviación Sostenible de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que no participó en el proyecto. "El diseño de este grupo utiliza una maravillosa combinación de métodos convencionales y de vanguardia para el desarrollo de máquinas eléctricas, lo que le permite ofrecer robustez y eficiencia para satisfacer las necesidades prácticas de las aeronaves del futuro".

Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su totalidad, dicen que el diseño podría propulsar aviones regionales y también podría ser un compañero de los motores a reacción convencionales, para permitir sistemas de propulsión híbridos eléctricos. El equipo también prevé que múltiples motores de un megavatio podrían alimentar múltiples ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de aeronaves. Mirando hacia el futuro, los cimientos del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían escalarse potencialmente a motores de varios megavatios, para impulsar aviones de pasajeros más grandes.

"Creo que estamos en una buena trayectoria", dice Spakovszky, cuyo grupo e investigación se han centrado en algo más que turbinas de gas. "No somos ingenieros eléctricos de formación, pero abordar el gran desafío climático de 2050 es de suma importancia; trabajar con profesores, personal y estudiantes de ingeniería eléctrica para este objetivo puede aprovechar la amplitud de tecnologías del MIT para que el todo sea mayor que la suma de los partes. Así que nos estamos reinventando en nuevas áreas. Y el MIT te da la oportunidad de hacerlo".

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