A Ideia de um Avião Híbrido-Elétrico Pode Reduzir o Problema de Poluição do ar na Aviação

O layout recomendado pode minimizar a exaustão de óxido de nitrogênio em 95 por cento, descobriu um novo estudo.

Em altitude de cruzeiro, os aviões liberam um fluxo constante de óxidos de nitrogênio no meio ambiente, onde os produtos químicos podem se espalhar para criar ozônio e grandes partículas. Os óxidos de nitrogênio, ou NOx, são uma fonte significativa de contaminação do ar e estão relacionados à asma, doenças respiratórias e problemas cardiovasculares. Pesquisa anterior mostrou que a geração desses produtos químicos por causa da aeronáutica global leva a 16.000 mortes prematuras anualmente.

Atualmente, os projetistas do MIT criaram uma ideia para a propulsão de aviões que, segundo eles, eliminaria 95% das descargas de NOx das viagens aéreas e, assim, diminuiria a variedade de mortes prematuras em 92%.

A ideia é inspirada em sistemas de controle de emissões usados ​​em automóveis de transporte terrestre. Vários veículos a diesel resistentes hoje possuem sistemas de controle de emissões pós-combustão para reduzir o NOx criado pelos motores. Os cientistas sugerem atualmente um estilo semelhante para a aeronáutica, com um toque elétrico.

Os aviões de hoje são movidos por motores a jato ancorados embaixo de cada asa. Cada motor abriga um gerador de gás que aciona um hélice para realocar o avião no ar, enquanto o escapamento da turbina flui pela parte traseira. Por causa dessa configuração, não foi possível usar ferramentas de controle de emissões, pois elas dificultariam o empuxo gerado pelos motores.

No novo estilo híbrido-elétrico, ou “turboelétrico”, a fonte de energia de um avião certamente ainda seria uma turbina eólica a gás padrão; entretanto, seria incorporado ao porão de carga da aeronave. Em vez de hélices ou seguidores de alimentação direta, a turbina eólica a gás acionaria um gerador, também no porão, para gerar energia elétrica, que sem dúvida, depois disso, alimentaria eletricamente os hélices ou ventiladores montados nas asas e acionados eletricamente da aeronave. As emissões criadas pela turbina a gás certamente seriam alimentadas diretamente em um sistema de controle de emissões, geralmente semelhante aos dos veículos a diesel, que limparia o escapamento antes de ejetá-lo direto no meio ambiente.

“Essa ainda seria uma dificuldade significativa de projeto, mas não há limitações físicas essenciais”, diz Steven Barrett, professor de aeronáutica e astronáutica do MIT. “Se você pretende alcançar uma indústria aeronáutica líquida zero, esta é uma forma potencial de solucionar a contaminação do ar, que é considerável, e de uma maneira que é tecnicamente bastante prática.”

As informações do estilo, incluindo avaliações de seu custo potencial de combustível e influências no bem-estar, são publicadas na revista Power and Environmental Science. Os co-autores do artigo são Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham e Jayant Sabnins, todos membros do Laboratório de Aviação e Meio Ambiente do MIT.

Uma estratégia semi-eletrificada

As sementes para a aeronave híbrida-elétrica da equipe cresceram a partir de Barrett e do trabalho de seu grupo verificando o escândalo das descargas de diesel da Volkswagen. Em 2015, os reguladores ambientais descobriram que o fornecedor do veículo tinha deliberadamente manipulado motores a diesel para acionar os sistemas de controle de emissões a bordo durante os testes de laboratório, de modo que pareciam cumprir os critérios de exaustão de NOx ainda, na verdade, produzidos cerca de 40 vezes um muito mais NOx em condições de direção do mundo real.

Ao considerar os impactos da fraude nas emissões para a saúde, Barrett também tomou conhecimento dos sistemas de controle de emissões dos carros a diesel em geral. Mais ou menos na mesma época, ele também estava aproveitando a oportunidade de projetar aeronaves gigantescas e totalmente elétricas.

“O estudo de pesquisa que foi feito nos últimos dois anos mostra que você provavelmente pode surpreender aeronaves menores; no entanto, para aviões enormes, isso não acontecerá a qualquer momento rapidamente sem grandes avanços na tecnologia de bateria”, afirma Barrett. “Então, presumi que possivelmente podemos pegar a parte de propulsão elétrica de aeronaves elétricas e as turbinas a gás que existem há um longo período e são muito confiáveis ​​e eficientes, e integrar isso com a inovação de controle de emissões que é usada em o automóvel, bem como a energia terrestre, para, pelo menos, possibilitar os aviões semieletrificados. “

Voando com influência zero

Antes de se pensar seriamente na eletrificação de aviões, seria possível executar uma ideia como esta, como um exemplo de um complemento para a parte traseira de motores a jato. Ainda assim, esse estilo, observa Barrett, “mataria qualquer fluxo de propulsão” que um motor a jato certamente produziria, aterrando de forma eficaz o layout.

O princípio de Barrett contorna essa restrição dividindo os propulsores ou ventiladores que produzem impulso da turbina eólica a gás geradora de energia. Os suportes ou seguidores certamente prefeririam ser alimentados diretamente por um gerador elétrico, que seria alimentado pela turbina eólica a gás. O escapamento do gerador de gás seria alimentado em um sistema de controle de emissões, que poderia ser dobrado, como uma sanfona, no porão de carga do avião – totalmente isolado dos hélices de produção de empuxo.

Ele visualiza a maior parte do sistema elétrico híbrido – gerador de gás, gerador elétrico e sistema de controle de exaustão – caberia na barriga teimosa de uma aeronave, onde pode haver área suficiente em muitas aeronaves executivas.

Em seu novo artigo, os cientistas calculam que se tal sistema elétrico híbrido fosse executado em um Boeing 737 ou avião semelhante ao A320, o peso adicionado certamente precisaria de cerca de 0,6 por cento a mais de gás para voar a aeronave.

“Isso certamente seria muito, muitas vezes mais possível do que o recomendado para aviões totalmente elétricos”, afirma Barrett. “Este layout adicionaria alguns milhares de kg a uma aeronave, ao invés de adicionar vários lotes de baterias, o que representaria mais do que uma magnitude de peso extra.”

Os pesquisadores também determinaram as emissões que seriam produzidas por uma grande aeronave, com e sem descargas gerenciando o sistema, bem como descobriram que o projeto híbrido-elétrico eliminaria 95 por cento das descargas de NOx.

Se esse sistema fosse implementado em todos os aviões em todo o mundo, eles estimam ainda que 92 por cento das mortes relacionadas à poluição como resultado da aeronáutica seriam, sem dúvida, evitadas. Eles chegaram a essa estimativa usando um modelo global para mapear o fluxo das emissões de viagens aéreas com o meio ambiente e determinaram quantas populações diferentes em todo o mundo, sem dúvida, estariam expostas a esses gases de escape. Eles, a seguir, converteram essas exposições diretas em mortalidades ou cotações de preços da variedade de indivíduos que certamente faleceriam em decorrência da exposição direta a descargas de viagens aéreas.

O grupo agora está lidando com estilos para aeronaves de “impacto zero” que voam sem produzir NOx e outros produtos químicos, como o CO2, que altera o clima.

“Precisamos atingir essencialmente zero impacto líquido sobre o clima e também absolutamente nenhuma morte por poluição do ar”, afirma Barrett. “Este projeto atual removeria com sucesso os problemas de contaminação do ar da aeronáutica. Agora estamos atendendo a parte do impacto climático.

Referência: “Controle de emissões pós-combustão em motores de turbina aero gás” por Prakash Prashanth, Raymond L. Speth, Sebastian D. Eastham, Jayant S. Sabnis e Steven RH Barrett, 7 de dezembro de 2020,  Energy and Environmental Science .
DOI: 10.1039 / D0EE02362K