China muestra el prototipo de motor eléctrico de plasma para aviones comerciales

La Universidad de Tecnología de Wuhan, en China, ha mostrado un prototipo de avión propulsado por un motor eléctrico de plasma que emplea el mismo principio físico que utilizan los satélites para orbitar en el espacio. Implementada en los futuros aviones comerciales, esta tecnología podría ser clave para descarbonizar la aviación comercial ya que permitiría que los aviones funcionen únicamente con electricidad prescindiendo de combustibles contaminantes.

Aunque parece una idea de ciencia ficción, el plasma es una tecnología que ya tiene años de uso y que está presente por ejemplo en algunos tubos fluorescentes, que lo utilizan para producir luz. Considerado el cuarto estado de la materia, el que más abunda en el cosmos, el plasma es por naturaleza un poderoso conductor de electricidad. Los motores basados en él pueden revolucionar el campo dela aviación y adelantar los procesos descarbonización.

China ha desarrollado un motor de plasma dotado de un diseño que podría utilizarse en la atmósfera terrestre. La capacidad de propulsión de este motor alcanza los niveles de empuje de los motores convencionales que queman combustibles fósiles pero a diferencia de ellos no genera emisiones de carbono. 

Como antecedente, la corporación de ciencia y tecnología aeroespacial del país asiático anunció en enero de 2020 que había desarrollado el primer propulsor de efecto hold, también llamado motor de plasma estacionario. Este dispositivo tenía una potencia de entrada de 20 kW y generaba una fuerza de empuje de 1 Newton. Esta magnitud es una unidad que y mide la cantidad de fuerza aplicada durante un segundo a una masa de un kilogramo para que esta adquiera la velocidad de un metro por segundo.

El motor diseñado por la Universidad de Tecnología de Wuhan logro un empuje de 11 N, que equivale a unos 1.200 kilogramos de fuerza. El director del proyecto Jau Tang indica que el objetivo de este proyecto es producir un motor ecológico para la aviación comercial. Estos motores de plasma podrían contribuir a evitar el calentamiento global.

Para lograr hacer realidad la aviación eléctrica, la industria de la aviación eléctrica ha probado diversos modelos y enfrentado diferentes retos con cada uno. Los aviones propulsados por motores eléctricos tienen su mayor hándicap en el peso de las baterías que los alimentan. Para lograr una autonomía aceptable estas deben tener una gran capacidad, lo que se traduce en que los aviones son más pesados y precisan de motores más potentes que a su vez requieren baterías más grandes. Un círculo vicioso que parece hacer inviable esta tecnología para los vuelos de larga distancia.

El plasma es considerado el cuarto estado de la materia (además de líquido, sólido y gaseoso). Es el más abundante en el universo y siempre se encuentra ionizado es decir cargado eléctricamente. Por eso también se le llama gas ionizado. El plasma es un buen conductor eléctrico y responde de forma rápida a las variaciones electromagnéticas.

El plasma se origina naturalmente cuando se produce una ionización de las moléculas de un material a altas temperaturas, por ejemplo en un rayo. En un laboratorio, el plasma se puede producir creando un arco eléctrico dentro de un envoltorio de microondas y con la ayuda de rayos láser. Tiene aplicaciones en distintas industrias. Por ejemplo, se ha investigado su uso para abastecer de energía a las naves espaciales durante sus vuelos en el espacio. Las dos agencias espaciales más importantes del mundo, la Agencia Espacial Europea y la NASA han desarrollado sistemas de propulsión de plasma. 

Por ahora, el plasma no se ha utilizado para propulsar aviones convencionales comerciales o militares aunque existen algunas experiencias interesantes desarrolladas en el pasado. El método más empleado para desarrollar plasma utiliza una antena que emite radiofrecuencias o energía de microondas que genera aire ionizado. Los elementos que se han usado son tan variados como curiosos; desde gases tan conocidos como el argón o el dióxido de carbono hasta orina humana.

Existen muchos inconvenientes para implementar un motor de plasma en la atmosfera a gran escalla. El principal es la cantidad de energía necesaria para alimentarlos. Además, en un motor de plasma que utiliza xenón, por ejemplo, los iones generados pierden fuerza a medida que entran en contacto con el aire, reduciendo la fuerza de empuje. Por eso los motores de plasma solo son utilizados cuando la aeronave sale de la atmósfera. Su bajo empuje impide romper la barrera atmosférica pero no impide viajar cómodamente en el espacio.

En el caso del plasma frío desarrollado por la Universidad de Wuhan se combina aire ionizado y electricidadpara generar plasma de alta temperatura. Este plasma se encuentra presurizado, separado de la presión atmosférica. Prescinde de los habituales ánodos y cátodos para acelerar el viaje de las partículas cargadas. En su lugar utiliza los potenciales eléctricos que se producen de forma interna: cuando los electrodos interactúan se forma un arco eléctrico de alta corriente lo que produce la aceleración de los iones y el aumento de la temperatura. Como se hace un uso intensivo de la corriente sin los separadores de los electrodos se debe usar un voltaje más limitado lo que produce una velocidad de escape un poco más baja que en los motores convencionales.

La primera ventaja es que este prototipo utiliza aire en lugar de gas por lo que tiene una fuente ilimitada para alimentar el motor propulsor. Este motor comprime y luego ioniza el aire que generará el plasma. Utilizando señales de microondas en distintas pruebas se ha demostrado una fuerza de empuje mayor a la de prototipos anteriores. 

El plasma se produce a partir de aire ionizado. Este plasma se calienta de forma rápida lo que permite su expansión dentro del motor y sale con potencia por medio de un tubo de cuarzo. De esta manera se genera la electricidad y el empuje. El nuevo motor sigue la misma lógica de otros prototipos como el del avión eléctrico del MIT que utiliza los vientos iónicos para propulsarse sin necesidad de motores.

La diferencia es que produce un plasma inicial de baja temperatura cuando se eliminan los electrones de átomos de nitrógeno y oxígeno. El plasma se genera a baja temperatura y baja presión mediante el aire de un ventilador colocado en la entrada del tubo. El plasma se eleva y entra en las emisiones de microondas. Las partículas comienzan a oscilar dentro de este campo y este proceso genera un calentamiento general del sistema. Es como una sopa de átomos iones y electrones que chocan entre sí intensamente. Gracias a las emisiones de microondas esto produce una propagación de la energía de los iones y los electrones hacia los átomos neutros calentando a su vez el plasma. Cuando sale el plasma contenido se forma una llama esta combustión produce la fuerza de empuje y así la aeronave se mueve hacia adelante.

El equipo de Wuhan planea mejorar el sistema para hacerlo más fiable. También debe mejorar su eficiencia ya que todavía requiere mucha energía para impulsar el aire ionizado. Estas necesidades son todavía limitantes para su uso comercial a gran escala. Además, un avión impulsado con chorros de plasma sería mucho más silencioso que los convencionales. El problema es que su escape tendría una llama silenciosa de 1.000 grados que se debe manipular son seguridad.

La innovación tecnológica del dispositivo de Wuhan es prometedora. Aunque todavía tiene problemas que solucionar este nuevo diseño podría mejorar considerablemente la industria de la aviación y contribuir a eliminar el uso de combustibles de origen fósil. Para lograrlo se debe aumentar la potencia de los motores de plasma algo en lo cual ya se trabaja. Si se logra ampliar la fuerza de empuje el sueño de tener aviones sin carbono podría hacerse realidad.