A Europa está se preparando para um voo neutro em termos de clima movido a hidrogênio produzido de forma sustentável. No ano passado, a UE lançou um projeto para apoiar a indústria e as universidades no desenvolvimento de uma aeronave de médio curso movida a hidrogênio. Entre outras coisas, os motores a jato terão que ser adaptados para funcionar com o novo combustível.
Desafios no desenvolvimento de motores a hidrogênio
Os motores de hoje são otimizados para queimar querosene. "O hidrogênio queima muito mais rápido do que o querosene, resultando em chamas mais compactas", explica Nicolas Noiray, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e de Processos da ETH Zurich. Isso deve ser levado em consideração ao projetar motores a hidrogênio. Experimentos da equipe de Noiray agora fornecem uma base importante para isso. A equipe acaba de publicar seus resultados no periódico Combustion and Flame.
Um problema são as vibrações, que os engenheiros tentam minimizar. Em motores a jato típicos, cerca de 20 bicos de injeção de combustível são dispostos ao redor da câmara de combustão anular do motor. A combustão turbulenta do combustível ali gera ondas sonoras. Essas ondas são refletidas de volta das paredes da câmara e têm uma ação de feedback nas chamas. Esse acoplamento entre a onda sonora e as chamas pode dar origem a vibrações que induziriam uma carga pesada na câmara de combustão do motor.
"Essas vibrações podem fatigar o material, o que, no pior dos casos, pode levar a rachaduras e danos", diz Abel Faure-Beaulieu, ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Noiray. "É por isso que, quando novos motores estão sendo desenvolvidos, toma-se cuidado para garantir que essas vibrações não ocorram sob condições operacionais."
Simulando condições de voo
Quando os engenheiros desenvolveram os motores a querosene de hoje, eles tiveram que controlar essas vibrações. Eles conseguiram isso otimizando o formato das chamas, bem como a geometria e a acústica da câmara de combustão. No entanto, o tipo de combustível tem um grande impacto nas interações entre som e chama. Isso significa que engenheiros e pesquisadores devem agora se certificar de que elas não surgirão em um novo motor a hidrogênio.
Uma elaborada instalação de teste e medição na ETH Zurich permite que Noiray meça a acústica de chamas de hidrogênio e preveja vibrações potenciais. Como parte do projeto HYDEA da UE, no qual ele está envolvido junto com a GE Aerospace, ele testa bicos de injeção de hidrogênio produzidos pela empresa.
"Nossa instalação nos permite replicar as condições de temperatura e pressão de um motor em altitude de cruzeiro", explica Noiray. Os pesquisadores do ETH também podem recriar a acústica de várias câmaras de combustão, permitindo uma ampla gama de medições. "Nosso estudo é o primeiro do tipo a medir o comportamento acústico de chamas de hidrogênio em condições reais de voo."
Em seus experimentos, os pesquisadores usaram um único bico e então modelaram o comportamento acústico da coleção de bicos como seria organizado em um futuro motor de hidrogênio. O estudo está ajudando engenheiros da GE Aerospace a otimizar os bicos de injeção e a abrir caminho para um motor de hidrogênio de alto desempenho. Em alguns anos, o motor deve estar pronto para os testes iniciais no solo e, no futuro, poderá impulsionar a primeira aeronave movida a hidrogênio.
Desafios além dos motores
O professor Noiray da ETH não considera o desenvolvimento dos motores ou o desenvolvimento de tanques de hidrogênio para aeronaves como o maior desafio na transição da aviação para a era do hidrogênio. "A humanidade voou para a lua; os engenheiros, sem dúvida, serão capazes de desenvolver aviões a hidrogênio", ele diz.
Mas aviões sozinhos não são suficientes. Outro grande desafio, diz Noiray, é colocar em prática toda a infraestrutura para a aviação de hidrogênio, incluindo a produção de hidrogênio neutro para o clima em quantidades suficientes e o transporte para aeroportos. Conseguir isso dentro de um prazo razoável requer um esforço concentrado agora.
Por que o hidrogênio é a escolha para a aviação?
A maioria dos veículos terrestres pode ser eletrificada com baterias; no entanto, baterias são pesadas demais para aeronaves de alto desempenho. Armazenar a energia necessária para transportar 200 passageiros por milhares de quilômetros com hidrogênio em tanques criogênicos pesa pelo menos trinta vezes menos do que armazená-la em baterias.
"Nas próximas décadas, apenas aeronaves pequenas com capacidade de carga muito baixa serão movidas a bateria", diz o professor Noiray da ETH. "Para aeronaves de passageiros e de carga, os combustíveis sintéticos são a única alternativa ao querosene de hoje, e o hidrogênio é o mais econômico para produzir de forma sustentável."
Dependendo do tamanho e do alcance da aeronave, há duas soluções potenciais de hidrogênio. Para aeronaves regionais menores com baixas velocidades de cruzeiro e curtos alcances, o hidrogênio pode ser convertido em eletricidade em uma célula de combustível a bordo. Isso aciona hélices por meio de um motor elétrico.
No entanto, para aeronaves comerciais de longo curso, as células de combustível são inadequadas devido ao seu tamanho e peso. No futuro, essas aeronaves serão propulsionadas por motores a jato abastecidos com hidrogênio. Vários consórcios industriais estão atualmente trabalhando para desenvolver tais motores.
