Dos de las paredes del despacho del profesor de ciencias de materiales y empresario de baterías de serie Yet-Ming Chiang en el MIT (EE.UU.) están cubiertas con unos coloristas modelos moleculares. El investigador ha dedicado una gran parte de su carrera al estudiar cómo versiones ligeramente modificadas de mismas esas moléculas conducen a resultados radicalmente diferentes a la hora de almacenar energía.

Pero para su próximo objetivo, Chiang y su colega, el profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Venkat Viswanathan, han adoptado un enfoque diferente. En lugar de alterar la composición de las baterías, van a modificar la alineación de los compuestos que hay dentro de ellas. Mediante  fuerzas magnéticas capaces de guiar el tortuoso camino que los iones de litio deben seguir a través de los electrodos, estos científicos creen que podrían aumentar significativamente la velocidad a la que el dispositivo descarga la electricidad.

Ese golpe de energía podría ofrecer un nuevo uso para las baterías que se lleva buscando desde hace mucho tiempo: satisfacer la enorme demanda de energía un avión de comercial durante el despegue. Si funciona como se espera, este sistema permitiría vuelos regionales diarios que no queman combustible ni producen emisiones directas.

Viswanathan fue quien arrancó este proyecto de investigación y lo está liderando. Ahora, Chiang y él están colaborando con 24M, la empresa de baterías de iones de litio que Chiang cofundó en 2010 (ver Las baterías de 24M pueden lograr la revolución energética y de transporte), y con Zunum Aero, una start-up de aviación de Washington (EE.UU.), para desarrollar y probar el prototipo específicamente diseñado para las necesidades de un avión híbrido avanzado.

Foto: El profesor asistente de Ingeniería Mecánica de la Carnegie Mellon Venkat Viswanathan. Crédito: Cortesía de la Universidad Carnegie Mellon.

Una gran apuesta

Crédito: Simon Simard.

Eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de la aviación es uno de los desafíos más difíciles del rompecabezas climático. Los viajes aéreos representan alrededor del 2 % de las emisiones globales de dióxido de carbono y son una de las fuentes de contaminación de gases de efecto invernadero que más rápido está creciendo.

Pero, a excepción de una mínima parte de los vuelos, actualmente no existen alternativas limpias para el transporte aéreo. Las baterías que funcionan con los coches eléctricos todavía son demasiado caras y pesadas y, además, no resultan adecuadas para la aviación.

Más de una docena de compañías, entre ellas Uber, Airbus y Boeing, han empezado a explorar el potencial de electrificar aviones más pequeños. Esta iniciativa daría lugar a una especie de taxis voladores capaces de recorrer unos 160 kilómetros con una sola carga. Estos vehículos, con capacidad para uno o dos pasajeros y que se estructurarían como aeronaves autónomas con despegue y aterrizaje en vertical, podrían acortar los viajes diarios, reducir el tráfico y disminuir las emisiones de los vehículos. Estos  modelos se limitarían a sustituir los desplazamientos en coche de los ricos, pero serían incapaces de adoptarse en el transporte aéreo habitual.

Por eso, Viswanathan y Chiang apuntan más alto. Su plan inicial consiste en desarrollar una batería capaz de alimentar a un avión para 12 personas en un recorrido de unos 650 kilómetros. Estas características permitirían viajes desde, por ejemplo, San Francisco a Los Ángeles o desde Nueva York a Washington (todas en EE.UU.). En una segunda fase, esperan crear un avión eléctrico capaz de transportar a 50 personas a la misma distancia.

Tales aviones todavía necesitarían un motor de combustión y combustible para cumplir el "requisito de reserva" de seguridad de la Administración Federal de Aviación de EE. UU., que obliga a las aeronaves a llevar lo suficiente para aterrizar en un aeropuerto a unos 320 kilómetros de distancia del destino previsto. Si todo saliera como es debido, ese combustible nunca tendría que ser consumido.

Aerotransportado

El atractivo del proyecto para una start-up como Zunum es obvio: cuanto mejores sean las baterías para satisfacer las necesidades de las aeronaves, mayor será el mercado de los aviones híbridos o eléctricos. El año pasado, la compañía anunció sus planes de producir una línea de aviones "híbridos a eléctricos" con capacidad para 12 pasajeros en 2022.

En el lanzamiento, la compañía espera ofrecer un avión híbrido con una turbina de gas y dos paquetes de baterías capaces de volar unos 1.120 kilómetros, así como una versión completamente eléctrica con tres paquetes de baterías y un alcance de unos 300 kilómetros. (A diferencia de los aviones que Viswanathan y Chiang tienen en mente, el modelo híbrido dependería casi por completo del combustible de a bordo). Pero, lo que es más importante, se espera que el avión presente una arquitectura abierta que permita a los propietarios cambiar los módulos con el tiempo para que puedan sustituir sus baterías por modelos mejores a medida que se produzcan, o transformar un modelo híbrido en uno 100 % eléctrico.

Zunum ha obtenido capital de Boeing, JetBlue y del Fondo de Energía Limpia del Estado de Washington (EE.UU.).  La compañía de vuelos chárter con sede en Dallas (EE.UU.) JetSuite acordó comprar hasta 100 aviones. Otras start-ups, como Eviation Aircraft y Wright Electric, también están trabajando para desarrollar pequeños aviones eléctricos para vuelos de larga distancia.

Vídeo: Esto es lo que sucede cuando se aplican las fuerzas magnéticas a microbarras magnéticas mezcladas con materiales de electrodos. Crédito: Cortesía del investigador del MIT Jonathan Sander.

Los aviones no suelen usarse para viajes regionales, pues solo representan el 1 % de los desplazamientos inferiores a 800 kilómetros, según la Oficina de Estadísticas de Transporte de EE. UU (BTS). Las aerolíneas se han alejado de los vuelos cortos, en gran parte, porque la mayoría del combustible se quema durante el despegue, por lo que las rutas más largas son mucho más económicas. Y dados los altos costes y las complicaciones relacionadas con volar, los consumidores suelen optar por coches, trenes o autobuses.

El director ejecutivo de Zunum, Ashish Kumar, anteriormente ejecutivo de Microsoft y Google, cree que los aviones híbridos podrían cambiar estos hábitos, ya que al reducir el coste del combustible también se reducirían las tarifas. "Las millas aéreas nacionales se podrían duplicar en casi todo el mundo porque los usuarios dejarían la carretera para subirse a aviones, que son más rápidos", explica.

A medida que las baterías mejoran, los aviones híbridos y eléctricos también podrían hacerse con una fracción cada vez mayor del propio transporte aéreo. Para el 2035, Kumar espera que los aviones híbridos puedan recorrer distancias cercanas a los 2.500 kilómetros. Para ese año, el transporte aéreo representaría el 82 % de los desplazamientos, según la Oficina de Estadísticas de Transporte de EE. UU (BTS).

Una batería ambiciosa

Durante una reunión en el despacho de Chiang a principios de septiembre, Viswanathan subrayó los desafíos de electrificar la aviación a través de un cuadro que mostraba el perfil de descarga de una batería durante un vuelo. En los dos primeros minutos del vuelo, la carga está completa, pero después cae drásticamente a un nivel largo y estático a medida que el avión alcanza la altitud de crucero. 

Crédito: Simon Simard.

En otras palabras, una batería debe ser capaz de ofrecer una cantidad masiva de energía al despegar, y mantener un volumen suficiente para recorrer varios cientos de kilómetros. Pero para funcionar dentro de los límites de la física y la economía de las aeronaves, también debe ser lo más duradera y liviana posible, y capaz de cargarse rápidamente, o al menos, como lo planea Zunum, capaz de ser fácilmente intercambiada por una batería completamente cargada entre vuelo y vuelo. 

Viswanathan señala que una batería estándar tipo Tesla puede cumplir las dos primeras condiciones. Pero el despegue sería como conducir un Modelo S en "modo insensato" (una modalidad que permite grandes aceleraciones) durante cuatro minutos en vez durante solo unos pocos segundos, lo que produciría una enorme cantidad de calor. "La batería se quemaría", afirma, lo que reduciría radicalmente la vida útil de los paquetes de baterías, cuyo precio es muy caro.

Vídeo: Esto es lo que sucede cuando se aplican fuerzas magnéticas a gotitas magnéticas mezcladas con materiales de electrodos. Crédito: Cortesía del investigador del MIT Jonathan Sander.

Para que las baterías de iones de litio se descarguen a una velocidad lo suficientemente rápida para el despegue de las aeronaves es necesario que los iones y los electrones fluyan más fácilmente a través de la batería, especialmente en los electrodos. Una opción para lograrlo consiste en hacer que los materiales de los electrodos sean más porosos o más delgados, pero cualquiera de esos cambios perjudicaría la densidad de energía.

Así que, en vez de eso, los investigadores están explorando alternativas para enderezar el laberíntico recorrido 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 publicado 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 con luz ayudaba a crear vías alineadas a través de los electrodos.

Las pruebas posteriores demostraron que la capacidad de descarga de estos electrodos (la velocidad a la que los electrones salen 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 vía de lo que podemos obtener de las baterías para la aviación eléctrica", afirma Chiang.

Los investigadores están trabajando ahora con 24M en Cambridge (EE. UU.), donde Chiang también es el jefe científico, para desarrollar y probar los prototipos con este enfoque magnético. Si todo va bien, Zunum trabajará después con los investigadores para evaluar los prototipos y todos los sistemas eléctricos del avión en tierra. Algún día, también podrían ser probados en vuelos reales. 

Esto no es más que el principio

Crédito: Simon Simard.

Hasta que las baterías se desarrollen y prueben, queda por ver si este enfoque funcionará tan bien como promete. Pero incluso en el mejor de los casos, este campo todavía está probablemente a décadas de conseguir que una parte representativa de la aviación funcione con electricidad.

El ingeniero aeroespacial y director del Centro de Investigación Eagle Flight de la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle (EE.UU.), Richard Anderson, señala que las baterías son al menos 20 veces más pesadas que el combustible para una cantidad determinada de consumo energético. El experto no confía demasiado en que las compañías que aspiran a lograr vuelos híbridos de pasajeros, como Zunum, puedan sean capaces de encontrar formas de compensar ese peso adicional. También cree que este sector sobreestima la rapidez con la que los aviones híbridos podrán alcanzar distancias más largas, al tiempo que se subestiman los desafíos regulatorios a los que enfrentarán.

Los propios investigadores del MIT y Carnegie no han tardado en confirmar que harán falta varias mejoras importantes en la batería para ampliar el alcance de los aviones eléctricos, algo que puede requerir un cambio a químicas completamente diferentes. Además de eso, es probable que los aviones deban rediseñarse por completo para reducir su demanda de energía. Posiblemente será necesario redistribuir los motores o cambiar la forma del cuerpo de la aeronave para reducir la resistencia, concluye Viswanathan.

Pero Chiang y él están trabajando para desarrollar una capacidad técnica que sería necesaria independientemente de cualquier otro avance. Incluso si otros ingenieros de baterías encuentran formas de que los aviones eléctricos recorran 1.500 kilómetros, todavía necesitarán energía suficiente para despegar.