O primeiro motor elétrico – concebido por Michael Faraday em 1821 – consistia em um fio de metal pendurado ao lado de um ímã em um banho de mercúrio líquido, formando um circuito elétrico. Quando conectado a uma bateria, a extremidade submersa do fio traçou círculos mágicos ao redor do ímã. O equipamento primitivo não gerava muita energia, mas provou que a energia elétrica poderia ser transformada em energia mecânica fazendo passar uma corrente elétrica por um campo magnético. Dois séculos depois, os motores elétricos são onipresentes, conduzindo eletrodomésticos, carros, navios e uma miríade de outros dispositivos.

Mas agora os engenheiros estão mirando mais alto. Apoiado por US $ 4,8 milhões em novas bolsas de pesquisa da divisão Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia dos EUA, uma equipe da GE Research está procurando projetar um sistema de propulsão movido a eletricidade potente e leve o suficiente para se manter no ar um avião comercial de 175.000 libras e seus 175 passageiros. “Essas são coisas muito difíceis de fazer”, diz Narendra Joshi, engenheiro-chefe de tecnologias de propulsão da GE Research. “Há tecnologia de materiais, química, eletroquímica e engenharia elétrica e mecânica. E você tem que torná-lo robusto o suficiente para suportar o choque da aterrissagem e as vibrações.”

O setor de aviação percorreu um longo caminho em termos de eficiência de combustível. A quantidade de combustível queimado por passageiro caiu 80% desde 1960, graças aos novos motores projetados com materiais mais resistentes e leves. Mas essas economias, junto com passagens mais baratas, também alimentaram o crescimento de passageiros para mais de 1 bilhão que voaram anualmente antes da pandemia, o que compensou a economia da indústria nas emissões líquidas de carbono. É verdade que as companhias aéreas e militares também testaram e comprovaram a viabilidade dos biocombustíveis. Mas eles podem ser duas vezes mais caros que os combustíveis minerais no momento e ainda não alcançaram a viabilidade comercial, enviando engenheiros de aviação para buscar uma solução diferente. “Agora precisamos de algo fundamentalmente diferente para dar o próximo salto”, diz John Yagielski, engenheiro sênior do Global Research Center da GE em Niskayuna, Nova York.

Esse desafio técnico é duplo e ambos os lados são assustadores. O primeiro elemento, parte da iniciativa REEACH da ARPA-E (para Extensores de Alcance para Aviação Elétrica com Baixo Carbono e Alta Eficiência), concentra-se em como converter um biocombustível de queima mais limpa em megawatts de eletricidade. O segundo, sob o programa ASCEND (Motores elétricos com resfriamento sinérgico da classe de aviação com acionamentos integrados), aborda como transformar essa energia elétrica em empuxo suficiente para voar um jato comercial classe 737.

Um motor a jato tradicional inflama o combustível de jato misturado com o ar para acionar um enorme ventilador (FAN) frontal, o que cria a maior parte do empuxo que faz o avião voar alto e voar. Na nova configuração proposta pela equipe da GE, um motor elétrico gira o ventilador para gerar o empuxo. A energia viria de um processo de duas etapas que combina uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) e uma turbina a gás, ambas funcionando com combustível neutro em carbono de base vegetal. (O combustível é neutro em carbono porque é feito de plantas que absorveram carbono atmosférico. Ele não produz CO2 incremental quando queimado.)

Neste projeto teórico, o SOFC será projetado para misturar biocombustível gaseificado e ar comprimido para produzir eletricidade e calor. A eletricidade fará com que o motor gire o ventilador do motor. A exaustão de calor e qualquer excesso de combustível farão um segundo turno dentro da turbina a gás, onde se misturarão com mais combustível para acionar a turbina e ajudar a girar outro gerador elétrico. “A reutilização do escapamento SOFC é semelhante a uma usina de ciclo combinado, em que o calor expelido de uma turbina a gás é usado para acionar uma turbina a vapor”, explica Joshi.

O maior obstáculo com este design híbrido teórico é como conseguir mais potência com muito menos peso. “A eficiência geral do sistema terá que ser melhor e terá que pesar significativamente menos”, diz Yagielski. “Precisamos desenvolver máquinas em níveis de potência de propulsão de aeronaves e reduzir seu peso específico por um fator de oito.” Isso significa trazer várias disciplinas de engenharia, ele acrescenta: “Nossa equipe está trabalhando em cinco áreas de tecnologia diferentes simultaneamente para que isso aconteça”.

O interessante do novo sistema é que ele irá liberar os projetistas de aviões de colocar grandes motores sob cada asa e permitir que eles criem novos projetos que podem ser mais ideais para um voo eficiente. Drones já usam seis ou mais hélices, todas alimentadas por fios de uma fonte central. Diz Joshi: “O conceito é usar 10 ou 15 dessas máquinas de 2 megawatts para acionar um número igual de ventiladores menores distribuídos ao longo da asa para produzir o impulso necessário.”

As bolsas REEACH e ASCEND, cobrindo cerca de 18 meses de pesquisa por 17 participantes, são apenas a primeira etapa de uma longa jornada. “Trata-se de provar a viabilidade de várias dessas tecnologias e convencer a ARPA-E a investir na construção de um protótipo completo e testá-lo”, diz Yagielski. “Isto é para aeronaves na década de 2050”.