La aviación limpia despega con la fabricación avanzada

El 17 de diciembre de 1903, lo que en su momento parecía un milagro tuvo lugar en los cielos de Kitty Hawk, en Carolina del Norte. Fue entonces cuando los hermanos Orville y Wilbur Wright ―propietarios de una tienda de bicicletas en Dayton, Ohio― hicieron el primer vuelo propulsado, controlado y sostenido con una aeronave más pesada que el aire. Su aeroplano, el Wright Flyer, se mantuvo en el aire durante 12 segundos escasos, recorrió una distancia de apenas 37 metros y alcanzó una velocidad máxima de poco más de 11 kilómetros por hora. Su impacto, sin embargo, fue tan grande como breve fue el vuelo: casi 120 años después, la aviación es una industria enorme que mantiene 87,7 millones de puestos de trabajo, hace posible más de un tercio del comercio total y contribuye a un 4,1 % del producto interior bruto (PIB) mundial.

La aviación tiene un volumen tal que, si fuera un país, su economía sería la decimoséptima más grande del mundo, más o menos del tamaño de la de Indonesia o Países Bajos, según el Grupo de Acción del Transporte Aéreo (ATAG). Conforme a las previsiones de este grupo, durante los próximos 20 años la demanda en este sector tendrá un aumento medio interanual del 3 % y, en 2038, alcanzará 143 millones de puestos de trabajo y un PIB de 6 billones de euros.

Son buenas noticias para los millones de turistas que quieren colmar su deseo insaciable de viajar y para las innumerables empresas que quieren hacer negocios atravesando fronteras y océanos. Sin embargo, puede ser una mala noticia para el medio ambiente, ya que, según el Instituto de Estudios Medioambientales y Energéticos (EESI), la aviación produce aproximadamente el 2,4 % de las emisiones mundiales de CO2.

Aunque esta cifra es inferior a la que generan los automóviles, la producción de electricidad y los sectores industrial y agrícola, es lo suficientemente grande como para que, de nuevo, si la aviación comercial fuera un país, fuera el sexto más contaminante del planeta, situándose entre Alemania y Japón. Incluso si tenemos en cuenta las mejoras que han tenido lugar en la eficiencia de los aviones en los últimos 60 años, el transporte aéreo de pasajeros antes de la pandemia de COVID-19 era la fuente de emisiones de gases de efecto invernadero que más crecía en el mundo, según informa el EESI.

Los críticos de la aviación (por ejemplo, el grupo ecologista holandés Fossielvrij NL, que el pasado julio presentó la primera demanda por ecoimpostura del sector contra la aerolínea holandesa KLM) insisten en que la única forma de reducir el impacto del transporte aéreo es volando menos. Aun así, el mundo de la aviación confía en el poder de la ingeniería para reducir el impacto medioambiental de los vuelos aprovechando las tecnologías avanzadas y sin frenar el crecimiento de esta industria.

Precisamente por su compromiso con esa misión, la Empresa Común para una Aviación Limpia de la Unión Europea, sobre la base de su predecesora, la Empresa Común Clean Sky 2, ha concedido aproximadamente 4000 millones de euros en subvenciones a proyectos de investigación destinados a aumentar la eficiencia en el uso del combustible de las aeronaves, con el objetivo último de reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero en, al menos, un 30 % de aquí a 2030. Entre los beneficiarios de la iniciativa Aviación Limpia, se encuentran el equipo de tecnología avanzada de GE Aerospace en Múnich, la Universidad Politécnica de Dresde y un consorcio de apoyo al desarrollo de la tecnología liderado por la Universidad Politécnica de Hamburgo, al que se ha unido Autodesk UK, y que han creado un proyecto conjunto de investigación para diseñar motores de avión de próxima generación y bajo consumo.

Conocido como MOnACO (abreviatura de “fabricación de un componente a gran escala con fabricación aditiva”), el proyecto conjunto de investigación se centra en el diseño, la optimización y la validación de un componente de la turbina de un motor de avión a gran escala mediante fabricación aditiva. El componente en cuestión, el marco central de la turbina, es tan vital como complejo, ya que consta de más de 100 piezas diferentes.

“Lo que en última instancia nos propusimos hacer fue combinar todas esas piezas en una sola”, comenta Andy Harris, ingeniero principal de investigación de Autodesk Research en Londres. Si se simplifica el marco, el componente es más fácil de fabricar y, sobre todo, más ligero. “Al reducir el peso del marco central de la turbina, se consume menos combustible durante el trayecto y, por tanto, se generan menos emisiones de CO2. Además, al limitar el consumo de combustible, resulta también más barato, así que hay un beneficio económico y otro medioambiental”.

Pero amalgamar más de 100 piezas no es tarea fácil. Para lograrlo, MOnACO aprovechó tanto el diseño generativo como la fabricación aditiva. En primer lugar, el equipo definió los parámetros de diseño y los requisitos de rendimiento. A continuación, utilizó Fusion 360, de Autodesk, para generar automáticamente una serie de opciones de diseño que combinaban materiales y procesos de fabricación diferentes.

Según afirma Harris, “El software ofrece información sobre el rendimiento del diseño, como la rigidez, la resistencia y los factores de seguridad, así como el peso y el costo de la pieza en función del material empleado, el método de fabricación y el propio diseño. Además, genera todos estos modelos en la nube, por lo que es fácil deshacerte de los que son demasiado caros o demasiado pesados. Podemos decir que ofrece una manera muy práctica y rápida de sopesar un diseño”.

El equipo estudió cuatro iteraciones diferentes y sometió cada una de ellas a rigurosas pruebas.

“Inicialmente, hicimos simulación estructural, simulación de fluidos y simulación de fabricación. Luego pasamos a fabricar algunas de estas piezas en Hamburgo y las probamos en Dresde”, comenta Harris, que añade que el equipo comparaba el rendimiento real de los prototipos físicos con las simulaciones: “Cada vez que lo hacíamos, entendíamos mejor el comportamiento de la pieza, lo que nos servía de base para la siguiente iteración del diseño. Conseguimos mejorar continuamente la rigidez, la reducción de masa y la caída de presión dentro del sistema hasta que acabamos con la cuarta y última iteración”.

Un beneficio clave de la iteración final del equipo es la gestión aerotérmica, gracias a un diseño de celosía logrado con Autodesk Volumetric Kernel (AVK), una nueva herramienta de Fusion 360 que facilita el diseño en torno a geometrías muy complejas.

Según Harris, “Pasan muchos gases por esta parte del motor, que se calienta mucho y tiende a disipar mucho calor. Al utilizar una celosía para separar la superficie interna que se calienta de la externa, se reduce en gran medida la transferencia de calor del interior al exterior. A lo largo de la vida útil del motor, calculamos que esto ahorrará unos 16 gigajulios de energía térmica, lo que significa que hay más energía que pasa por el motor, impulsa la turbina y sale por la parte trasera”.

En resumidas cuentas, el motor funciona de manera más eficiente.

Pero ese tipo de eficiencia no se consigue con los procesos de fabricación convencionales. Por ello, el equipo recurrió a la fabricación aditiva, concretamente a la fusión por lecho de polvo con láser, en la que el polvo metálico se acumula gradualmente en capas y se sinteriza con un láser de alta potencia.

Como afirma Dirk Herzog, investigador de la Universidad Politécnica de Hamburgo: “La fabricación aditiva ofrece la libertad de diseño para construir casi todo lo que podría surgir de un enfoque de diseño generativo. La tecnología ha demostrado claramente el potencial para lograr un enorme ahorro de peso, algo que no podría hacerse de ninguna otra manera”.

En este caso, el ahorro de peso es superior al 30 %, según MOnACO, que, una vez finalizado el diseño, fabricó un prototipo a escala real en un centro de fabricación aditiva de GE, con un procesamiento posterior en un centro de Autodesk para verificar el diseño impreso frente al previsto. Debido a las rigurosas normas de seguridad que rigen la aviación, es probable que pasen años antes de que la pieza pueda incorporarse a gran escala en aviones reales. No obstante, el proyecto es un paso importante a efectos de lograr mejoras significativas en el impacto medioambiental de la aviación.

“La aviación sigue contribuyendo de una manera importante a las emisiones de CO2 —explica Herzog—, y aunque los vuelos eléctricos podrían resolver este problema a largo plazo, mientras tanto hay que aprovechar cualquier oportunidad de reducir las emisiones de los aviones alimentados por combustibles fósiles”.

El potencial es enorme, como declara Ashish Sharma, ingeniero jefe de Tecnología de la Aviación de GE Aerospace en Múnich, quien afirma que el proyecto demuestra la viabilidad del diseño generativo y la fabricación aditiva para crear piezas y componentes a gran escala. “Todo el sector aeroespacial está pendiente y muy interesado”, comenta, y subraya que las mismas tecnologías y procesos pueden aplicarse a otras piezas del motor para obtener una eficiencia aún mayor.

“La reducción sustancial del número de piezas contribuye también a mejorar la competitividad, al reducir los costes y el tiempo de montaje”, sostiene Christina-Maria Margariti, responsable del proyecto en la Empresa Común para una Aviación Limpia.

El programa Aviación Limpia promueve el lanzamiento de productos revolucionarios de aquí a 2035, con el objetivo de sustituir el 75 % de la flota operativa para 2050. La velocidad de fabricación, por consiguiente, es una ventaja esencial, especialmente en el marco de la Unión Europea, que, como parte de la iniciativa Pacto Verde, se ha comprometido a tener una economía neutra en carbono en 2050. “Es necesario acelerar los plazos de comercialización y aumentar los índices de producción para lograr la entrada en servicio de nuevos aviones en 2035, así como unos índices de sustitución de la flota lo suficientemente altos como para alcanzar los objetivos medioambientales marcados para 2050”, añade Margariti. “Cualquier mejora en los procesos de diseño y fabricación será muy beneficiosa para lograr esos objetivos”.