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A enorme pegada de carbono da aviação pode diminuir significativamente com a eletrificação. Até o momento, no entanto, apenas pequenos aviões totalmente elétricos decolaram. Seus motores elétricos geram centenas de quilowatts de energia. Para eletrificar jatos maiores e mais pesados, como aviões comerciais, são necessários motores em escala de megawatts. Estes seriam movidos por sistemas de propulsão híbridos ou turbo-elétricos, onde uma máquina elétrica é acoplada a um motor aeronáutico de turbina a gás.
Para atender a essa necessidade, uma equipe de engenheiros do MIT está criando um motor de 1 megawatt que pode ser um trampolim fundamental para a eletrificação de aeronaves maiores. A equipe projetou e testou os principais componentes do motor e mostrou, por meio de cálculos detalhados, que os componentes acoplados podem funcionar como um todo para gerar um megawatt de potência, com peso e tamanho competitivos com os pequenos motores aeronáuticos atuais.
Para aplicações totalmente elétricas, a equipe prevê que o motor possa ser emparelhado com uma fonte de eletricidade, como uma bateria ou uma célula de combustível. O motor poderia então transformar a energia elétrica em trabalho mecânico para alimentar as hélices de um avião. A máquina elétrica também pode ser combinada com um motor a jato turbofan tradicional para funcionar como um sistema de propulsão híbrido, fornecendo propulsão elétrica durante certas fases do voo.
“Não importa o que usamos como transportador de energia – baterias, hidrogênio, amônia ou combustível de aviação sustentável – independentemente de tudo isso, os motores da classe megawatt serão um facilitador essencial para tornar a aviação mais ecológica”, diz Zoltan Spakovszky, da T. Wilson em Aeronáutica e Diretor do Gas Turbine Laboratory (GTL) do MIT, que lidera o projeto.
Spakovszky e membros de sua equipe, juntamente com colaboradores da indústria, apresentarão seus trabalhos em uma sessão especial do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica – Simpósio de Tecnologias de Aeronaves Elétricas (EATS) na conferência de Aviação em junho.
A equipe do MIT é composta por professores, alunos e equipe de pesquisa do GTL e do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos e Eletrônicos do MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault e Mohammad Qasim, junto com Marc Amato da Innova-Logic LLC. O projeto é patrocinado pela Mitsubishi Heavy Industries (MHI).
Coisa pesada
Para evitar os piores impactos das mudanças climáticas induzidas pelo homem, os cientistas determinaram que as emissões globais de dióxido de carbono devem chegar a zero líquido até 2050. Atingir essa meta para a aviação, diz Spakovszky, exigirá “conquistas de mudança radical” no design de aeronaves não convencionais aeronaves, sistemas de combustível inteligentes e flexíveis, materiais avançados e propulsão eletrificada segura e eficiente. Várias empresas aeroespaciais estão focadas na propulsão eletrificada e no projeto de máquinas elétricas em escala de megawatts que são poderosas e leves o suficiente para impulsionar aeronaves de passageiros.
“Não existe bala de prata para fazer isso acontecer, e o diabo está nos detalhes”, diz Spakovszky. “Isso é engenharia pesada, em termos de co-otimização de componentes individuais e torná-los compatíveis entre si, maximizando o desempenho geral. Para fazer isso, temos que ultrapassar os limites de materiais, fabricação, gerenciamento térmico, estruturas e dinâmica de rotor e energia eletrônicos.”
De um modo geral, um motor elétrico usa força eletromagnética para gerar movimento. Os motores elétricos, como os que alimentam o ventilador do seu laptop, usam energia elétrica – de uma bateria ou fonte de alimentação – para gerar um campo magnético, geralmente por meio de bobinas de cobre. Em resposta, um ímã, colocado próximo às bobinas, gira na direção do campo gerado e pode acionar um ventilador ou hélice.
As máquinas elétricas existem há mais de 150 anos, com o entendimento de que, quanto maior o aparelho ou veículo, maiores serão as bobinas de cobre e o rotor magnético, tornando a máquina mais pesada. Quanto mais energia a máquina elétrica gera, mais calor ela produz, o que requer elementos adicionais para manter os componentes resfriados – todos os quais podem ocupar espaço e adicionar peso significativo ao sistema, tornando-o um desafio para aplicações em aviões.
“Coisas pesadas não vão em aviões”, diz Spakovszky. “Então tivemos que criar uma arquitetura compacta, leve e poderosa.”
boa trajetória
Conforme projetado, o motor elétrico do MIT e a eletrônica de potência têm aproximadamente o tamanho de uma mala despachada, pesando menos que um passageiro adulto.
Os principais componentes do motor são: um rotor de alta velocidade, revestido com uma matriz de ímãs com orientação variável de polaridade; um estator compacto de baixa perda que se encaixa dentro do rotor e contém uma intrincada matriz de enrolamentos de cobre; um trocador de calor avançado que mantém os componentes resfriados enquanto transmite o torque da máquina; e um sistema eletrônico de potência distribuído, feito de 30 placas de circuito personalizadas, que alteram com precisão as correntes que passam por cada um dos enrolamentos de cobre do estator, em alta frequência.
“Acredito que este é o primeiro projeto integrado verdadeiramente co-otimizado”, diz Spakovszky. “O que significa que fizemos uma exploração muito extensa do espaço de design, onde todas as considerações, desde o gerenciamento térmico até a dinâmica do rotor, a eletrônica de potência e a arquitetura da máquina elétrica foram avaliadas de forma integrada para descobrir qual é a melhor combinação possível para obter a potência específica necessária em um megawatt.”
Como um sistema completo, o motor é projetado de forma que as placas de circuito distribuídas sejam acopladas à máquina elétrica para minimizar a perda de transmissão e permitir o resfriamento eficaz do ar através do trocador de calor integrado.
“Esta é uma máquina de alta velocidade e, para mantê-la girando enquanto cria torque, os campos magnéticos precisam viajar muito rapidamente, o que podemos fazer por meio de nossas placas de circuito comutando em alta frequência”, diz Spakovszky.
Para mitigar o risco, a equipe construiu e testou cada um dos principais componentes individualmente e mostrou que eles podem operar conforme projetado e em condições que excedem as demandas operacionais normais. Os pesquisadores planejam montar o primeiro motor elétrico totalmente funcional e começar a testá-lo no outono.
Uma vez que a equipe do MIT possa demonstrar o motor elétrico como um todo, eles dizem que o projeto pode alimentar aeronaves regionais e também pode ser um companheiro para motores a jato convencionais, para permitir sistemas de propulsão híbrido-elétricos. A equipe também prevê que vários motores de um megawatt poderiam alimentar vários ventiladores distribuídos ao longo da asa em futuras configurações de aeronaves. Olhando para o futuro, as bases do projeto da máquina elétrica de um megawatt poderiam ser ampliadas para motores de vários megawatts, para alimentar aviões de passageiros maiores.
“Acho que estamos em uma boa trajetória”, diz Spakovszky, cujo grupo e pesquisa se concentraram em mais do que apenas turbinas a gás. “Não somos engenheiros elétricos por formação, mas abordar o grande desafio climático de 2050 é de extrema importância; trabalhar com professores, funcionários e alunos de engenharia elétrica para esse objetivo pode aproveitar a amplitude de tecnologias do MIT, de modo que o todo seja maior do que a soma do peças. Portanto, estamos nos reinventando em novas áreas. E o MIT oferece a você a oportunidade de fazer isso.”
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