Como funciona a propulsão com hidrogênio em aviões?

Nas últimas semanas acompanhamos alguns lançamentos da Airbus para o futuro da aviação, com uma aposta muito forte em aviões que trocam o querosene para queimar hidrogênio líquido com a composição do ar da atmosfera.

A queima de hidrogênio com oxigênio, que chamamos de “queima criogênica”, é uma das melhores fórmulas para gerar potência atualmente. O hidrogênio é leve, ocupa pouco espaço para o volume disponível e quando em combustão libera uma grande quantidade de energia. Comparando com o querosene das aeronaves a jato atuais, parece ser uma boa ideia.

No lançamento o Space Shuttle utilizava três motores de foguete queimando Hidrogênio Líquido com Oxigênio Líquido. No pouso era praticamente um planador de asas curtas. Foto – NASA

Além disso, o fator poluição também conta a favor dessa combustão de hidrogênio com oxigênio. O produto final é basicamente vapor de água, ou H2O, sem a presença do famoso CO2.

No entanto, esse tipo de combustão é conhecida apenas pelos foguetes, e o uso de hidrogênio em motores a reação de aeronaves é um conceito novo, visto que os próprios motores que ficam em solo, adaptados para gerar energia, utilizam o querosene líquido na combustão. A tecnologia adequada também é um desafio, o hidrogênio é facilmente inflamável e apresenta desafios logísticos para um setor acostumado com o querosene.

Mas vamos dar uma olhada em algumas características abaixo, de acordo com o projeto da Airbus.

 

Design dos aviões

Pode não parecer, mas as aeronaves atuais são projetadas para armazenar a maior quantidade de combustível possível nas asas e na parte central do avião. O combustível líquido, sem pressurização, pode ser facilmente armazenado em locais sem superfícies curvas, e mostra um contraponto a favor do design padrão entre os aviões pelo menos desde a década de 50.

No entanto, com o hidrogênio é diferente. O mesmo deve ser armazenado com uma grande pressão, para em condições de temperatura atmosférica se manter em estado líquido.


Por este motivo o hidrogênio deve ser armazenado da melhor forma em tanques no formato cilíndrico, como um botijão de gás, ou em tanques no formato esférico. 

E nos próprios aviões-conceito que a Airbus apresentou observamos algo nesse sentido. A parte traseira é reservada para os tanques de hidrogênio, e as asas podem assumir perfis de maior otimização aerodinâmica, como os apresentados pela Airbus em aviões de testes (Clique Aqui para ver mais).

Ao mesmo tempo, como o tanque precisa ficar na fuselagem, isto pode afetar o espaço para bagagem ou passageiros em aviões “comuns”, mas possibilita criar novos aviões em formatos diferentes, como o próprio conceito de avião-asa para uma grande capacidade de passageiros.

A grande vantagem do conceito de um avião-asa é o aproveitamento de espaço. Nas asas você pode alocar ao mesmo tempo passageiros e combustível, diminuindo a área frontal da aeronave em comparação com um “avião convencional”.

Conceito de avião-asa da Airbus.

A favor do avião-asa, os engenheiros apontam que o conceito pode resultar em um menor arrasto da fuselagem, pela menor área frota e também pelas formas mais aerodinâmicas. O menor arrasto diminui consideravelmente o consumo de combustível da aeronave, principalmente nessas condições.

Pelo espaço aproveitado em uma melhor maneira, também há uma estimativa de redução de peso da aeronave, que também resulta em menor consumo de combustível, e menor potência máxima dos motores (consequentemente menor tamanho e menor arrasto).

Mas aviões com formatos diferentes incorporam mais desafios, na aerodinâmica diferente e na parte estrutural. Como um novo conceito, o período de desenvolvimento pode ser ainda maior.

A questão para a Airbus é: Desenvolver a propulsão a hidrogênio já será um desafio, será que a fabricante também vai apostar em um novo formato de avião?

 

Queima do combustível nos motores

Antes a Airbus apostava na eletrificação para a próxima década, agora aposta na combustão, porém, do hidrogênio.

Alguns outros conceitos, apresentados ao longo desta última década, colocam o hidrogênio como um gerador de energia para motores elétricos. Isso logicamente facilita o reabastecimento da aeronave, e anula a “chatisse” do peso da bateria e da demora para carregar.

Este pode ser um motivo para a Airbus ter abandonado no início do ano o projeto E-Fan X, por não haver (por enquanto) muito futuro para a bateria nos aviões durante os próximos anos.

No entanto, a Airbus quer apostar no próprio hidrogênio queimando juntamente com o ar atmosférico nos motores a reação. Aqui temos duas características distintas para listar:

  • A combustão do hidrogênio gera ainda mais calor, em comparação com o querosene;
  • O hidrogênio precisa chegar líquido nos bicos injetores, logo os mesmos devem suportar a pressurização, mas isso não é um grande problema.
Motor Turbofan e seu esquema de funcionamento. As partes que enfrentam uma grande temperatura resultante da combustão é a própria câmara de combustão, e a turbina da aeronave, responsável por girar todo o conjunto do motor.

Na parte do calor gerado as fabricantes de motores precisam desenvolver novos produtos, que suportem a temperatura adicional, principalmente na câmara de combustão e na turbina. Logo entra o desenvolvimento de uma outra tecnologia, que as empresas não estão acostumadas, esse passo pode adicionar uma dificuldade a mais no processo.

Como vantagem, a temperatura de uma câmara de combustão nos motores atuais já é bastante elevada, o suficiente para algumas fabricantes registrarem problemas de desgaste não esperados no projeto.

Na parte da pressurização isso pode ser facilmente resolvido pelas empresas, visto que a própria linha hidráulica dos aviões de grande porte já trabalham com alta pressão. Logo, as fabricantes estão acostumadas com esse detalhe.

A linha de combustível deve ser extremamente resistente, e projetada para não ter falhas em todas as situações possíveis. Um vazamento normal de querosene já é perigoso, um de hidrogênio, que facilmente vira gás na pressão atmosférica, é ainda pior.

 

Perigo e segurança

No tópico anterior listamos alguns problemas, que podem gerar até mesmo modificações permanentes nos aviões. No entanto, há problemas externo aos aviões no caso do hidrogênio.

O grande desafio desse projeto da Airbus não é somente garantir a segurança dos passageiros na aeronave, mas também das operações em solo.

Anteriormente listamos que o hidrogênio precisa ser armazenado com alta pressão para se manter em estado líquido, isso significa que até mesmo a linha de combustível precisa trabalhar com alta pressão para entrega o hidrogênio na forma líquida para os injetores, localizados na câmara de combustão do motor.

Ilustração mostrando tanques de hidrogênio na parte traseira da fuselagem de uma aeronave.

O mesmo hidrogênio deve ser armazenado sem vazamentos, sob alta pressão e com segurança nas instalações de combustível dos aeroportos, muitos com tanques subterrâneos e tubulações já prontas entre as posições de parada das aeronaves. Uma tomada seria mais fácil, visto que atualmente é possível facilmente adaptar diversos cabos elétricos no pátio de um aeroporto, mas esse é um desafio sem tamanho para a fabricante europeia.

Considerando que é possível resolver os problemas de armazenamento e combustão do hidrogênio nas aeronaves, e realizar voos com segurança, este no momento é um dos maiores desafios da Airbus, que a mesma deve superar com a ajuda de empresas que atualmente trabalham com combustíveis derivados do petróleo.

Então temos três questões de segurança que a Airbus deverá resolver:

  • Armazenamento do combustível dentro da aeronave;
  • Fabricação do hidrogênio líquido em larga escala (dificuldade encontrada até para os foguetes);
  • Distribuição e armazenamento em solo do hidrogênio líquido.

 

Testes em outros aviões

A tecnologia testada pela Airbus apareceu pouco em aviões até o momento. Alguns conceitos, como um da própria Boeing, apostaram no hidrogênio para gerar energia durante o voo, porém nenhum citou a combustão do hidrogênio, como em um foguete.

Alguns projetos recentes, como o da Zeroavia e o DLR HY4, utilizam o hidrogênio para gerar energia, e alimentar um motor elétrico.

A ZeroAvia aposta em um conceito de utilizar o hidrogênio para gerar energia, que por sua vez, alimenta um motor elétrico.

Desta forma a Airbus precisará primeiro fazer alguns protótipos de propulsores para testes em solo, logo depois protótipos menores autônomos para testar essa tecnologia em voo, e completar com a construção de uma aeronave real, mostrando que é possível implementar essa tecnologia com segurança.

Ao mesmo tempo será o maior trabalho de vanguarda da aviação, e se tudo der certo, a Airbus pode dar um enorme salto no setor, considerando que as leis estão cada vez mais exigentes sobre as emissões de carbono, enquanto mantém uma matriz de energia com alto índice de emissão de poluentes.

O sucesso da Airbus também depende de quanto custará mudar todo o processo de abastecimento.

As produtoras de combustíveis mais conhecidas do mundo já tem uma estrutura pronta para fornecer milhares de toneladas de querosene por dia.  Foto – Shell

As aéreas realmente desejam migrar de combustíveis derivados do petróleo, que tem como desvantagem a alta variação de preço (e o alto preço), além da poluição. Mas os processos logísticos para criar o hidrogênio líquido e transportar o mesmo até a aeronave podem resultar em um produto final bastante caro.

O futuro é extenso e demonstrará se esta ideia da Airbus pode ter sucesso utilizando a tecnologia atual. Por enquanto, o prazo de 2035 para o primeiro voo de um avião deste tipo parece bastante otimista por parte da fabricante.

 

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