En búsqueda de motores más limpios para la aviación

València

Un proyecto en el que participa la Universitat Politècnica de València busca ayudar a la industria de la aviación a diseñar aeromotores más limpios, prediciendo la formación y el crecimiento de partículas de hollín, subproductos que pueden producir efectos nocivos para la salud y contribuir al cambio climático.

Este es el objetivo de la metodología desarrollada con el proyecto Emissions SooT Model (ESTiMatE), que se ha llevado a cabo desde el 1 de noviembre de 2018 al 31 de octubre de 2022 y en el que colabora el Instituto CMT Motores Térmicos de la UPV.

Necesidad de motores más eficientes

Comprender y predecir el proceso de formación de contaminantes es un aspecto clave para mitigar las emisiones de los aviones de los motores aeronáuticos y ayudar a la Unión Europea a alcanzar sus objetivos de neutralidad climática para 2050.

La industria de la aviación es un usuario intensivo de este tipo de sistemas propulsivos, por lo que necesita desarrollar motores de aeronaves más eficientes para reducir los costes de operación, dismunir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir los efectos negativos de las emisiones al medio ambiente y la salud humana.

En concreto, las emisiones de hollín son subproductos del proceso de combustión de los hidrocarburos, que pueden producir efectos nocivos para la salud y contribuir al cambio climático. Dichas emisiones se dan con combustibles de origen fósil, pero también con los nuevos combustibles sostenibles de aviación (SAF, por sus siglas en inglés).

El proyecto de investigación ESTiMatE

ESTiMatE (Emisiones SooT Model), un proyecto de investigación coordinado por el Barcelona Supercomputing Center y financiado por Clean Sky 2 de la Comisión Europea, ha contribuido a profundizar en la comprensión de los procesos fundamentales involucrados en la formación de hollín y a desarrollar modelos predictivos para pruebas y diseño virtuales de motores aeronáuticos.

El proyecto se ha llevado a cabo desde el 1 de noviembre de 2018 al 31 de octubre de 2022, y su consorcio consta de siete insituciones europeas: el Barcelona Supercomputing Center, la Techinische Universität Berlin, la Universitat Politècnica de València, la Technische Universiteit Eindhoven, la Technische Universität Darmstadt, el Karlsruher Institut für Technologie y la Universität Stuttgart.

Además, ha participado el fabricante de motores aeronáuticos Rolls Royce para garantizar que los avances del proyecto puedan beneficiar directamente a la industria de la aviación.

Herramientas avanzadas

ESTiMatE ha desarrollado una metodología conjunta utilizando experimentos avanzados y simulaciones por ordenador para predecir la formación y el crecimiento de partículas de hollín.

Primero, el proyecto investigó cómo diferentes factores, como la temperatura, la presión y la composición del combustible, pueden afectar a la formación de hollín para el Jet A-1, un combustible tipo queroseno que se usa en la aviación civil.

Después, se desarrollaron modelos predictivos que han sido contrastados con datos procedentes de experimentos y de simulaciones numéricas de alta fidelidad. Con todo ello, el proyecto ha permitido evaluar y mejorar las capacidades predictivas de las distintas metodologías empleadas.

En este marco, el Instituto CMT-Motores Térmicos de la Universitat Politècnica de València ha llevado a cabo simulaciones de alta fidelidad para el análisis de los procesos de atomización del combustible líquido inyectado, así como cálculos en casos de referencia para validar los modelos de combustión y formación de hollín desarrollados.

Predecir las emisiones de hollín

En palabras de José María García, investigador del Instituto CMT-Motores Térmicos de la UPV, "las herramientas numéricas que se han desarrollado en el estudio se pueden utilizar para predecir con más fiabilidad las emisiones de hollín de los futuros motores durante la fase de diseño".

Según García Oliver, el equipo de la UPV ha llevado a cabo cálculos de alta fidelidad para diferentes procesos físico-químicos que se dan en la cámara de combustión de los aeromotores.

Estos cálculos han sido principalmente dos: por una parte, se ha estudiado con gran nivel de detalle la rotura del líquido en gotas de la salida del inyector de combustible, un "proceso fundamental" para preparar la mezcla aire-combustible y después quemarla con la "máxima eficiencia y las mínimas emisiones contaminantes".

Por otra parte, para probar y validar los diferentes modelos de emisiones de hollín que se han desarrollado, se han llevado a cabo cálculos en configuraciones de quemadores de referencia que son más simples que los propios aeromotores, pero que constituyen "una especie de banco de pruebas numérico muy interesante y de mucho coste computacional".

El hollín, ha indicado, es un producto carbonoso que resulta de la pirólisis de las moléculas de combustible en la cámara de combustión antes de quemarse, y si este producto no se oxida en la llama "se libera en la atmósfera en forma de nanopartículas, muy pequeños sólidos sobre los cuales se van depositando otras sustancias que acaban formando un aerosol".

"Si se emite a la atmósfera una gran cantidad de estos sólidos en altas concentraciones son perjudiciales para la salud, creando principalmente problemas pulmonares", ha explicado.

Por ello, según el experto, los sistemas de combustión, sean del tipo que sean, tratan de minimizar su producción y, en el caso de los aeromotores, las normativas limitan estas emisiones y por tanto han de evitar su producción para poder ser homologados.