Com o rápido crescimento geral das viagens aéreas, o design das aeronaves está pronto para a descarbonização, mas o voo elétrico generalizado requer baterias melhores e sistemas leves.
À medida que a indústria da aviação emerge do impacto da pandemia do COVID-19, quando o número de passageiros despencou, o número de voos está aumentando novamente. A indústria está se recuperando para níveis pré-pandêmicos de viagens aéreas de passageiros, com algumas estimativas prevendo um crescimento de mais de 40% até 2050.

Em geral, as crises à parte, as viagens aéreas de passageiros tendem a dobrar a cada 15 anos, com o setor de aviação também se mostrando uma das fontes de emissões de gases de efeito estufa (GEE) que mais crescem. Atualmente, é responsável por 2% das emissões globais de GEE, mas prevê-se que isso triplique potencialmente até 2050 em relação aos níveis de 2015 em sua trajetória atual.

Dado que o Pacto Ecológico Europeu exige neutralidade climática até 2050, uma redefinição verde é necessária para melhorar a sustentabilidade da aviação. Siga o link para saber mais sobre as medidas que a UE está defendendo para reduzir as emissões da aviação.

A aviação está se tornando mais eficiente com melhorias nos motores, mas a descarbonização exige alternativas às aeronaves famintas por combustível fóssil de hoje.

Os sistemas de propulsão híbrido-elétricos e totalmente elétricos oferecem uma resposta. Esses motores já estão ganhando força no terreno, com as vendas globais de carros elétricos dobrando no ano passado para 6,6 milhões.

Inúmeros projetos estão em andamento para a aviação seguir o exemplo, mas eles enfrentam muitos desafios, entre os quais o peso das baterias.

No entanto, encontrar alternativas ecologicamente corretas que sejam simultaneamente de alto desempenho e lucrativas é de “importância primordial”, disse Fabio Russo, chefe de pesquisa e desenvolvimento da fabricante de aeronaves Tecnam em Capua, Itália.

Escalabilidade

Russo liderou o projeto H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), que investigou o potencial de sistemas híbrido-elétricos nas chamadas aeronaves de "aviação geral" (GA).

Abrangendo mais de 400.000 aeronaves civis em todo o mundo, esta categoria inclui aviões particulares, jatos executivos, helicópteros e muito mais, mas não aviões comerciais.

Como aeronaves que tendem a ser relativamente pequenas, a iniciativa H3PS as vê como um primeiro passo para o desenvolvimento de sistemas de propulsão elétrica para voos mais amplos.

"Precisamos de soluções ambientais hoje, e o projeto H3PS foi feito para provar uma solução eficiente, leve e escalável", disse Russo.

“Escalável significa que você pode mover esse conceito de uma aeronave de quatro lugares para uma aeronave de 11 lugares ou, eventualmente, mais lugares”.

Trem de força híbrido

O projeto também envolveu a Rolls-Royce e a fabricante de motores Rotax. Um de seus objetivos era pilotar uma aeronave de quatro lugares movida pelo que é conhecido como "powertrain híbrido paralelo" - combinando um motor de combustão interna tradicional e um motor elétrico.

O sistema de propulsão híbrido pode dar um “impulso” de potência à aeronave durante as fases do voo, como decolagem e subida, diz Russo. Com um híbrido, você pode, por exemplo, usar um motor a combustível com potência menor que o normal e preencher a lacuna para a aeronave decolar e subir com um motor elétrico.

"Você pode, portanto, ter acesso a um motor de combustível de baixo consumo", disse Russo.

Essa abordagem permite um tamanho e peso do motor reduzidos, permitindo que a bateria do motor elétrico seja incluída sem adicionar peso significativo ao sistema.

No final do ano passado, o projeto conseguiu decolar com sua aeronave Tecnam P2010 H3PS. Como o primeiro carro de quatro lugares a fazer isso usando um sistema híbrido paralelo, a H3PS destacou a conquista como "um marco importante na jornada da indústria da aviação em direção à descarbonização e P&D em powertrains alternativos".

Economia de bateria

Mesmo assim, Russo enfatizou que o projeto visava demonstrar a viabilidade de tal aeronave ao invés de criar um produto para o mercado. Há algum caminho a percorrer para torná-los uma realidade em larga escala, disse ele.

"Ainda há muitos limites em termos de economia por trás do desenvolvimento desse tipo de motor e aeronave", disse Russo.

Um fator limitante importante é como as baterias se deterioram à medida que passam por recargas. Isso significa que há um alto custo para continuar substituindo-os em escalas de tempo que, atualmente, as estimativas de Russo podem ser de apenas alguns meses.

Ele acredita que as melhorias se baseiam em uma unidade real, apoiada pelo suporte do setor de fabricação de baterias, para impulsionar a tecnologia de baterias, reduzindo os custos de envio e desativação e aprimorando a economia circular.

"Uma economia local para a fabricação de baterias é essencial", disse Russo. "Isso também significa que CO₂ não é salvo apenas durante a operação, mas bem antes e depois do uso da bateria em uma aeronave."

Ele acrescentou que, para os componentes de aeronaves como um todo, é necessário focar em todo o ciclo de vida de ponta a ponta e no impacto dos produtos.

Híbridos viáveis

Russo acredita que essas aeronaves híbridas podem se tornar mais economicamente viáveis ​​por volta de 2030, com potencial para economizar significativamente nas emissões em certas fases do voo.

Um teste realizado por sua equipe indicou uma redução potencial de 50% nas emissões de carbono durante a decolagem e a subida inicial e 20% durante toda a viagem de três horas, sugerida pela menor quantidade de combustível usado.

“No final do voo, quando medimos o combustível que consumimos, a diferença foi notável”, disse Russo.

Outros projetos estão investigando como otimizar diferentes componentes para futuros sistemas de aviação de propulsão elétrica para torná-los o mais leves possível, além de seguros e eficientes.

Interferência eletromagnética

Por exemplo, o projeto EASIER vem projetando sistemas para limitar a interferência eletromagnética (EMI) entre componentes que podem afetar o funcionamento de uma aeronave.

A equipe também está investigando métodos térmicos para dissipar melhor o calor gerado por componentes elétricos. Isso tudo enquanto tenta garantir que a aeronave permaneça leve, levando em consideração o tamanho e o peso das baterias atuais.

Dr. Ignacio Castro, a senior principal engineer at Collins Aerospace, based in Cork, Ireland, is the coordinator for EASIER. He said the project has been looking into EMI filtering and wiring options with lower volume and weight for electrical powertrains in aircraft, plus "two-phase" cooling systems and methods to improve rates of heat transfer to an aircraft's exterior.

He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.

"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."

Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.

Trade-offs

There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.

He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.

"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.

Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.

Right direction

Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."

Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.

That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."

There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Explorar mais

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