Eliminar el impacto ambiental de la aviación
En 2019, antes de la pandemia de COVID-19, la aviación comercial transportaba a más de 4.500 millones de pasajeros y movía alrededor de 61 millones de toneladas de carga. Este volumen de tráfico aéreo, impulsado por la globalización y el aumento de la movilidad, ha llevado a un crecimiento anual promedio del 5% en la demanda de vuelos. La aviación comercial y de carga es una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero. Aunque un 2-3% de las emisiones globales de dióxido de carbono pueda sonar como un porcentaje pequeño, la contribución de la aviación al cambio climático es mayor debido a los efectos combinados de otras emisiones, como los óxidos de nitrógeno (NOx), y fenómenos atmosféricos asociados con los aviones, como las estelas de condensación y las nubes “artificiales” inducidas por el tráfico aéreo. Los motores de los aviones emiten NOx, unos gases que, además de ser muy contaminantes, contribuyen a cambios en la concentración de metano y ozono troposférico, ambos potentes gases de efecto invernadero. A menor altitud, las emisiones de NOx también provocan la degradación de la calidad del aire, algo que afecta directamente a la salud humana y a los ecosistemas naturales.
También entran en juego las estelas de condensación (que, técnicamente, se llaman contrails, no chemtrails como sugieren muchas teorías de la conspiración), una especie de “nubes artificiales” que se forman cuando el vapor de agua de los gases de escape de los motores se condensa en pequeñas partículas de aerosol en la atmósfera, creando líneas de nubes delgadas. Estas estelas pueden volverse persistentes y evolucionar en nubes cirrus, que tienen un efecto de calentamiento neto debido a su capacidad para reflejar y atrapar la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre. En resumen, los contaminantes emitidos por la aviación, como el CO₂, los NOx, el vapor de agua y las partículas de aerosol, contribuyen al calentamiento global. La creciente demanda de vuelos se traduce en un crecimiento indirecto de las emisiones debido a la necesidad de extraer más combustible, la expansión de la infraestructura aeroportuaria y la congestión del espacio aéreo. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) estima que el impacto total de la aviación en el cambio climático es aproximadamente el doble del causado por sus emisiones directas de dióxido de carbono, debido a estos efectos combinados.
Durante la pandemia, las emisiones de CO₂ de la aviación disminuyeron significativamente debido a la reducción de vuelos y restricciones de viaje, lo que proporcionó una oportunidad única para evaluar el impacto ambiental de la aviación y reflexionar sobre las estrategias para una recuperación sostenible. Por ejemplo, las estrategias de recuperación post-pandemia pueden servir como un catalizador para la inversión en tecnologías de aviación más limpias y eficientes. Por un lado, las aerolíneas y los fabricantes de aviones pueden acelerar la adopción de tecnologías de propulsión alternativa y combustibles sostenibles y, por otro, los gobiernos y las organizaciones internacionales pueden implementar políticas que promuevan la sostenibilidad en la aviación, como incentivos para el uso de combustibles sostenibles, regulaciones más estrictas sobre emisiones y apoyo financiero para investigación y desarrollo. Este capítulo revisa algunas de las propuestas más interesantes.
Antes de plantearse las posibles soluciones para descarbonizar la industria de la aviación, es razonable examinar algunos de los retos más importantes. Quizás uno de los principales problemas sea la altísima dependencia en el queroseno como combustible. Esta sustancia líquida, algo más viscosa que la gasolina, tiene una altísima densidad energética: libera mucha energía al quemarse, en proporción al volumen que ocupa, y eso es ideal para el transporte aéreo, especialmente en distancias grandes. Sin embargo, quemar queroseno produce CO2 y, además, es un combustible fósil y, por tanto, finito. Necesitamos soluciones alternativas que no solo sean limpias y menos contaminantes sino que, además, sean sostenibles y renovables.
Otro de los problemas de la industria aeronáutica es la complejidad de sus infraestructuras, no solo por las grandes inversiones que requiere para el desarrollo e implementación de nuevas soluciones, sino también por las barreras que imponen las regulaciones y normativas. Por motivos de seguridad, incluso el más mínimo cambio en una aeronave puede tardar años, incluso décadas, en llegar a una aplicación comercial. Por tanto, es fundamental empezar los nuevos desarrollos tecnológicos cuanto antes para poder adoptar los cambios de forma eficaz. La modernización (y descarbonización) pasa por aprobar nuevos modelos regulatorios que faciliten y aceleren la toma de decisiones relacionadas con soluciones sostenibles.
Una de las más accesibles, en ese sentido, consiste en el desarrollo de nuevos combustibles, más sostenibles que el queroseno. Aunque revisamos muchas de estas alternativas en el capítulo correspondiente a combustibles limpios, cabe destacar algunas de las innovaciones más interesantes en este sector, conocido popularmente como SAF, por las siglas en inglés de “combustibles sostenibles para aviación”. Algunas de las estimaciones más optimistas calculan que los SAF podrían reducir las emisiones de dióxido de carbono hasta un 95%. Sin embargo, es importante considerar el origen de estos combustibles. Algunas alternativas como los biocombustibles (derivados de materias primas como azúcar, aceites vegetales, grasas animales y residuos agrícolas) plantean desafíos relacionados con la sostenibilidad a largo plazo y la competencia con la producción de alimentos. Una opción que quizás sea más interesante son los combustibles totalmente sintéticos, producidos imitando a las plantas a partir del CO₂ atmosférico y energías renovables, una solución que suele conocerse como fotosíntesis artificial o “power-to-liquid”. Los principales desafíos, en este caso, son tecnológicos. Aunque esta tecnología está lista para funcionar a escalas de laboratorio, todavía es demasiado pronto para producir combustibles en las cantidades que necesita y utiliza regularmente la industria aeronáutica. También tendríamos que mejorar la capacidad actual para la captura de carbono, de forma que podamos aprovechar el exceso de CO₂ en la atmósfera como una materia prima renovable y circular. En este sentido, existen numerosas iniciativas muy ambiciosas, entre las que destaca la planta industrial “Mamooth” diseñada y fabricada por Climeworks en Islandia, diez veces más grande que su antigua planta “Orca”. Esta planta proyecta capturar 36.000 toneladas de CO₂ – el equivalente a las emisiones anuales de 2.500 personas. Es un comienzo muy prometedor y muy positivo.
Entre las distintas soluciones tecnológicas para descarbonizar la aviación, los motores eléctricos e híbridos representan un avance significativo, como en la industria automovilística. Estos sistemas de propulsión podrían conseguir vuelos con menos emisiones y, en el caso de los motores eléctricos, cabe la posibilidad de imaginar vuelos completamente libres de emisiones directas (siempre y cuando la electricidad provenga de fuentes renovables). Los motores eléctricos, por un lado, funcionan mediante la conversión de la energía eléctrica, generalmente almacenada en baterías, en energía mecánica. Esta tecnología resulta especialmente atractiva para vuelos de corta distancia y aviones pequeños. Los motores eléctricos tienen la ventaja de ser más eficientes y menos ruidosos que los de combustión interna. Además, suelen requerir menos mantenimiento, porque tienen una menor cantidad de piezas móviles. Sin embargo, su implementación (y su éxito) está supeditada a la densidad energética de las baterías actuales. Las baterías de ión-litio, las más utilizadas, no pueden almacenar suficiente energía para vuelos de larga distancia sin añadir un peso considerable. Por ejemplo, algunos prototipos en aviones pequeños (para 20 pasajeros) para viajes cortos, de hasta 400 kilómetros, pesan 3,5 toneladas, algo inasumible para aeronaves más grandes. Las baterías también plantean muchos retos en torno a la seguridad: actualmente muchas baterías de ión-litio están prohibidas en las bodegas de los aviones por el riesgo de cortocircuitos e incendios espontáneos. A pesar de estos desafíos, la investigación en baterías de alta densidad energética, como las baterías de estado sólido, podría ofrecer soluciones milagrosas en el futuro.
Por otro lado, los sistemas de propulsión híbrida combinan motores de combustión interna con motores eléctricos, proporcionando una mayor flexibilidad y eficiencia. Estos sistemas pueden funcionar en modo eléctrico puro durante el despegue y el aterrizaje, donde el consumo de combustible es mayor y las emisiones son más críticas (y, además, la potencia del motor eléctrico puede facilitar las maniobras), y en modo de combustión interna durante el crucero, donde la eficiencia de combustible es más alta. Esta combinación permite reducir tanto las emisiones como el consumo. Además, los motores híbridos, como en los coches, pueden recuperar parte de la energía generada durante el descenso y el frenado, que puede ser almacenada en baterías. Sin embargo, la integración de sistemas eléctricos e híbridos es compleja y requiere diseños y desarrollos muy diferentes a los aviones actuales, algo que podría ralentizar la adopción por parte de los grandes fabricantes. Algunas empresas, como Rolls Royce, han presentado resultados muy prometedores: están estudiando sistemas piloto en aeronaves pequeñas como helicópteros, con resultados interesantes y potencialmente escalables.
El hidrógeno es otra tecnología emergente con un potencial significativo para descarbonizar la aviación. Como combustible, el hidrógeno tiene menor densidad energética (en volumen) que los combustibles fósiles, pero es algo más versátil: puede usarse tanto como fuente de energía en pilas de combustible, para generar electricidad, o directamente como combustible en motores de combustión modificados. Las pilas de combustible, por ejemplo, ofrecen una capacidad muy superior a las baterías, y podrían permitir vuelos de mayor alcance con cero emisiones. Por otro lado, el hidrógeno también puede ser quemado directamente en motores de combustión, para aprovechar la infraestructura existente de motores y aeropuertos con ciertas adaptaciones. Sin embargo, la adopción del hidrógeno enfrenta desafíos técnicos y económicos, como repasamos en el informe INTEC de 2021, entre ellos los problemas relacionados con el almacenamiento seguro y la infraestructura necesaria para su distribución, que presenta requisitos muy distintos a los combustibles tradicionales. A pesar de esto, el hidrógeno representa una oportunidad clave para la aviación de largo alcance sin emisiones, y varios proyectos y prototipos, tanto públicos como privados, están actualmente en desarrollo. Por ejemplo, la empresa alemana H2Fly llevó a cabo una demostración del primer vuelo con hidrógeno líquido en 2023, y otras empresas en EEUU siguieron su estela con varios ensayos muy exitosos.
Además de las innovaciones en sistemas de propulsión, el desarrollo de nuevos materiales y el diseño avanzado de aeronaves pueden desempeñar un papel crucial en la reducción de las emisiones de la aviación hacia una solución de transporte más sostenible. En primer lugar, los nuevos materiales y los materiales compuestos (también conocidos comúnmente como “composites”) están revolucionando la industria aeronáutica. Estos materiales, como la fibra de carbono y el grafeno, son significativamente más ligeros, pero más fuertes y resistentes que los materiales tradicionales como el aluminio. La reducción de peso es una de las formas más fáciles de mejorar la eficiencia en las aeronaves. Un peso menor reduce la cantidad de energía (y, por lo tanto, de combustible) necesaria para el despegue, el ascenso y el tramo de navegación a velocidad de crucero. Además, los nuevos materiales compuestos pueden ofrecer una mayor resistencia a la corrosión y fatiga, lo que prolonga la vida útil de las aeronaves y reduce los costos de mantenimiento.
El uso de nuevos materiales compuestos también presenta desafíos, sobre todo relacionados con la inversión en investigación y, más adelante, con los estudios de viabilidad y seguridad que requiere la regulación actual. A pesar de estos desafíos, el uso de materiales compuestos está aumentando, y varios modelos de aeronaves modernas como el Boeing 787 y el Airbus A350 ya incorporan una alta proporción en su estructura. Por otro lado, además, la ingeniería aeroespacial trabaja por desarrollar diseños nuevos, más aerodinámicos, que buscan reducir la resistencia al avance, lo que a su vez disminuye el consumo de combustible. Los avances en simulación por ordenador y en los túneles de viento han permitido a los ingenieros diseñar aeronaves con perfiles mucho más eficientes. Las alas más delgadas y de mayor envergadura, combinadas con tecnologías como los winglets, que reducen el arrastre inducido, son ejemplos muy recientes de estas mejoras. Además, los fuselajes con formas más aerodinámicas y las superficies de control optimizadas no solo reducen el consumo de combustible, sino que también pueden aumentar la velocidad de crucero y mejorar la capacidad de carga de las aeronaves.
Algunas de las aerolíneas más grandes del mundo han presentado importantes iniciativas para reducir sus emisiones y están invirtiendo de forma muy activa en diferentes tecnologías sostenibles. Por ejemplo, Air France y KLM han lanzado varios programas de sostenibilidad, que incluyen entre otras cosas la modernización de su flota con aviones más eficientes en consumo de combustible y la implementación de prácticas operativas más ecológicas, como la compra y uso de combustibles SAF. British Airways también se ha comprometido a alcanzar un objetivo “cero emisiones” antes de 2050, invirtiendo en nuevos aviones de bajo consumo, optimizando sus rutas de vuelo y explorando, como Air France y KLM, el uso de SAF. Al otro lado del Atlántico, Delta Air Lines ha anunciado inversiones significativas en tecnologías de reducción de carbono y proyectos de compensación de las emisiones, así como nuevos programas de investigación y desarrollo de aviones eléctricos e híbridos. Más allá de las aerolíneas, varios proyectos pioneros están emergiendo con el objetivo de revolucionar la aviación sostenible. Uno de los más notables es el proyecto «Solar Impulse», una iniciativa que demostró la viabilidad de vuelos impulsados completamente por energía solar. Este proyecto, liderado por Bertrand Piccard y André Borschberg, logró dar la vuelta al mundo en un avión alimentado únicamente por energía solar, estableciendo un precedente para el futuro de la aviación sin emisiones.
La transición hacia una aviación sostenible es un desafío monumental que requiere la colaboración de todos los científicos e investigadores, la industria aeronáutica –desde fabricantes de aeronaves hasta aerolíneas–, los inversores en tecnología y, quizás lo más importante, las entidades reguladoras y los gobiernos. Las innovaciones tecnológicas en sistemas de propulsión, como motores eléctricos e híbridos, junto con avances en el diseño de aeronaves y el uso de combustibles sostenibles, ofrecen un camino claro y muy prometedor hacia la reducción de las emisiones y, eventualmente, hasta la descarbonización. Sin embargo, para que estas soluciones se implementen de manera efectiva y a gran escala, es fundamental contar con políticas de incentivos y regulaciones robustas. Los subsidios gubernamentales para el desarrollo y la adopción de tecnologías limpias, junto con impuestos sobre las emisiones de carbono, pueden crear un entorno económico que favorezca la sostenibilidad de una forma competitiva. Además, los acuerdos internacionales y los esquemas de compensación de carbono, como CORSIA, impulsado por la ONU, son esenciales para garantizar una reducción global y coordinada de las emisiones. En última instancia, la combinación de esfuerzos tecnológicos, operativos y regulatorios será clave para alcanzar una aviación sostenible, que cumpla con los objetivos globales de emisiones.
Una nueva plataforma para volar
Si la aviación fuera un país, se ubicaría entre los 10 principales emisores mundiales de CO2, aunque en realidad sólo representa el 2% de las emisiones de gases de efecto invernadero y un vuelo genera hoy la mitad de CO2 en 1990[i]. El sector ha registrado 40.523 patentes tecnológicas para la mitigación del cambio climático desde 1987, la mayoría de ellas en la categoría de tecnologías de propulsión eficiente, con EEUU claramente destacado en cabeza[ii]. Pero se le está pidiendo, a nivel mundial, algo equiparable a una verdadera reconversión industrial. Los Estados miembros de la OACI (International Civil Aviation Organization) adoptaron el objetivo colectivo aspiracional global a largo plazo (LTAG) de alcanzar emisiones netas de carbono cero para 2050[iii]. En paralelo, un grupo 25 aerolíneas, que representan más del 30% del tráfico aéreo mundial de pasajeros, ya se han comprometido con la iniciativa Science Based Target[iv] para lograr emisiones netas de carbono cero. Además de los efectos combinados que incrementan el impacto de sus emisiones, de los que se ha hablado en el capítulo anterior, la razón por la que la aviación se sitúa bajo el foco en materia de sostenibilidad tiene que ver con las expectativas derivadas de la previsión de incremento de los viajes aéreos[v].
En la Unión Europea, la aviación limpia recibe ya la consideración de actor central vinculado a la competencia global de su economía, ya que emplea a 13,5 millones de personas (el 3,6% de todo el empleo en Europa) y genera una actividad económica de un billón de euros (el 4,4% del PIB europeo)[vi]. La industria de la aviación del Reino Unido ha calculado[vii] que el objetivo de emisiones netas cero en 2050 de la OACI requerirá ahorrar casi 70 millones de toneladas de dióxido de carbono (MtCO2). Para lograrlo, confía en el poder coercitivo que pueden tener los costes de descarbonización en la demanda si se traslada al mercado la potencial subida de precios. Entre ellos se incluyen los costes de explotación asociados a las mejoras tecnológicas de las aeronaves, dirigidas a reducir el consumo de combustible y recortar las emisiones de CO2 entre un 30% y un 40% respecto a 2019. Se estiman entre los 710.000 y 740.000 millones de dólares para las líneas aéreas hasta 2050, lo que provocará muy probablemente una subida del precio de las aeronaves. También habrá que considerar los costes vinculados al mayor precio del SAF (Sustainable Aviation Fuel), que la Unión Europea está subsidiando, y a la exigencia cumplimiento de esquemas de compensación y comercio de carbono globales y regionales como CORSIA[viii] y los ETS2 de la UE[ix]. Las exigencias de Bruselas en relación con el SAF se endurecerán a partir de 2030. Los aeropuertos de la UE deberán ofrecer un 2% de combustible sostenible en 2025 e ir incrementando ese porcentaje cada cinco años hasta alcanzar el 63% en 2050. Forma parte de un programa ambicioso liderado por la Empresa Conjunta de Aviación Limpia (CAJU) orientado a desarrollar nuevas tecnologías aeronáuticas disruptivas, en apoyo del Pacto Verde Europeo y del objetivo de la neutralidad climática en 2050.
Europa quiere una reducción neta de los gases de efecto invernadero (GEI) emitidos por la aviación de no menos del 30% en relación a 2020. Para conseguirlo contempla el despliegue de los nuevos aviones con emisiones netas de CO2 hasta un 90% inferiores a los actuales no más allá de 2035, de modo que se haya reemplazado el 75% de la flota de aviación civil mundial en 2050[x]. Las posturas de las distintas administraciones no son, sin embargo, homogéneas. Suecia, Noruega y Francia tienen planes incluso más ambiciosos que la UE en materia de SAF, mientras Estados Unidos se ha fijado un objetivo de producción de sólo 11.000 millones de litros al año en 2030 (California se ha desmarcado y quiere alcanzar el 20% del suministro). El Departamento de Transporte de Reino Unido financia parcialmente un proyecto liderado por Virgin Atlantic llamado Flight100 en el que participan el Imperial College London, la Universidad de Sheffield, Boeing, Rolls-Royce, BP y otros, para demostrar que el SAF es una alternativa al combustible regular para aviones[xi]. Con una imprevisible voluntad de liderazgo del nuevo entorno, la compañía Emirates, que completó con éxito el primer vuelo de demostración 100% propulsado por SAF, en asociación con Boeing y GE, ha creado un fondo de 200 millones de dólares, en línea con la Hoja de Ruta Nacional de Combustible de Aviación Sostenible lanzada por Emiratos Árabes Unidos en 2023[xii].
En los próximos diez años el sector destinará más de 50.000 millones de dólares a proyectos de aviación sostenible[xiii]. En Estados Unidos, la Ley de Reducción de la Inflación incluye cientos de miles de millones de dólares en incentivos para tecnologías bajas en carbono, y eso incluye a las SAF y a la producción de hidrógeno destinado al sector aéreo. Para estimar la dimensión del desafío puede servir de referencia el cálculo que ha llevado a cabo la aviación británica: sus previsiones para evitar los mencionados 70 millones de MtCO2 en los que se incrementarán sus emisiones en 2050 si se confirma el crecimiento del 78% de su actividad y el escenario no mejora, son que, además de la progresiva introducción del SAF, también que será necesario recortar 2,5 MtCO2 con una mejor gestión del tráfico aéreo y procedimientos operativos; 9,5 MtCO2 gracias a la introducción de nuevas versiones de las aeronaves actuales y la aparición de modelos con diseños más eficientes; 10,6 MtCO2 de la mano de futuros tipos de aviones como los eléctricos y de hidrógeno; 26,4 MtCO2 por el efecto de los combustibles de aviación sostenibles; y 8,8 MtCO2 con eliminaciones permanentes de carbono.
La acción estratégica debe extenderse a gran escala e implicar a todas las áreas de los gobiernos. Se necesitará garantizar, por ejemplo, suficiente generación eléctrica e hidrógeno verde. De nuevo en Reino Unido, Sustainable Aviation pronostica que se necesitará un máximo de 147 TWh adicionales en energía renovable adicional para 2050[xiv]. La clave es que ninguna de las soluciones barajadas alcanza las cero emisiones de CO2 sólo con mejoras en tecnologías, operaciones y combustibles directamente aplicables a la aviación, ya sea en aerodinámica, sistemas, estructuras, materiales o propulsión. Hay que considerar los aspectos colaterales relacionados con todo el ciclo de vida de cada uno de esos componentes y la tasa general de crecimiento del tráfico. En ese sentido, considerando el impacto ambiental de su producción y distribución, no sólo su uso para alimentar los motores de los aviones, la contribución neta esperada del hidrógeno en 2050 se reduce a tan solo el 1,9% en el total de energía.
En la última década, han entrado en servicio y en proceso de certificación aviones avanzados de doble pasillo y largo alcance con mejoras significativas en todas estas áreas tecnológicas críticas para la sostenibilidad, como los Boeing 787-9 y -10, los Airbus A350-900 y 1000, y los Boeing B777- 9 con ala compuesta. Lo mismo ha sucedido en el segmento de los aviones de pasillo único, como el Airbus A220-100 y -300, algunos con mejoras tecnológicas sustanciales en propulsión y fuselaje, como el Airbus A320neo, A321XLR y A330neo, la familia Boeing B737MAX y los Embraer EJets E2. Todos ellos representan el estado del arte en el diseño de aviones turbofan y son referencia para los desarrollos que tienen lugar en países como China (C919), Japón (Spacejet) y Rusia (MC21), y en los hangares de fabricantes como Bombardier (Global 7500), Dassault (Falcon 8X) y Gulfstream (G650 y G700)[xv].
Estos movimientos demuestran que hay mucho margen de innovación más allá del combustible. Se puede conseguir, por ejemplo, una reducción significativa de la resistencia dependiente de la sustentación aumentando la envergadura efectiva de las alas, como vienen demostrando los trabajos de centros de excelencia como el Georgia Institute of Technology. Algunos fabricantes las están llevando a los límites especificados por la OACI, introduciendo dispositivos en la punta, para aumentar el tamaño efectivo manteniendo una carga aceptable, o habilitando mecanismos de punta de ala plegable para usar en tierra de modo para no generar problemas con la infraestructura aeroportuaria existente. La tecnología de punta de ala plegable favorece asimismo la introducción del cuerpo de ala híbrido (HWB) que no presenta una línea divisoria externa clara con el cuerpo principal del avión, puede tener cola y generalmente ubica el sistema de propulsión en la superficie superior, lo que también permite la reducción del ruido mediante blindaje acústico. Airbus incluyó una configuración HWB en uno de los tres aviones propulsados por hidrógeno ensayados en su programa ZEROe. La posible entrada en servicio de esta tecnología se estima que podría producirse en el período 2035-40 y la reducción de energía estimada alcanzaría el 5-15%. Adoptando un enfoque de alivio de carga, se puede facilitar también un aumento de envergadura sin una subida significativa del peso. Consiste en introducir movimiento en las superficies de control montadas en las alas, como alerones y spoilers, utilizando sensores y parámetros de control adecuados para limitar el momento de flexión de la raíz del ala.
Para hacer frente a la resistencia viscosa debida al perfil y la fricción superficial, la más elevada en las aeronaves convencionales, se están desarrollando métodos con geometrías robustas de microescala, pero su impacto en el consumo de combustible apenas alcanza todavía en el 1-2%. Ese valor puede aumentar manteniendo el flujo laminar en las áreas delanteras de las góndolas, alas y colas de los motores, mediante diseños estructurales y aerodinámicos bien equilibrados, como los que plantea, dentro del programa europeo Clean-Sky 2, el proyecto BLADE (Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe). Ya ha realizado pruebas de vuelo en un Airbus A340-300 con alas exteriores modificadas. Será necesario avanzar más en esta línea, pero ya vislumbran ahorros en el consumo de combustible de las aeronaves de mayor tamaño de hasta el 5%.
En la batalla contra otras fuentes de resistencia, como las ondas de choque, las interferencias y las fronteras adversas, destaca el uso de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en las distintas etapas del proceso de diseño de las aeronaves, gracias al aumento de la potencia informática. Se puede modelar virtualmente con niveles cada vez mayores de fidelidad física a escala local y de aeronave[xxi], aunque los progresos derivados de esta tecnología se concentran todavía en la etapa crucero. En este campo, el control activo de flujo (AFC), clave para abordar la interferencia en las aeronaves y los fenómenos de la capa límite, ha dado pasos de maduración significativos en la última década, incluidos los logros del programa EcoDemonstrator de Boeing y las actividades en Europa de AFLoNext.
La reducción de la masa estructural es otro de los parámetros clave para mejorar el rendimiento en el consumo de combustible. Los aviones están reemplazando los sistemas hidráulicos y neumáticos por sus equivalentes eléctricos y, en el ámbito de los fuselajes, se investiga en nuevos modelos, como los fuselajes de elevación no circulares y la “V voladora”. Hay que seguirlos de cerca porque los aviones de fuselaje ancho generan el 45% de las emisiones del sector. Junto a ello, se ahorrará peso abordando los materiales de la estructura, que constan de dos familias principales: compuestos (composites) y metálicos, en especial aleaciones de baja densidad. Ambos pueden verse beneficiados por las nuevas tecnologías de soldadura, para resinas termoplásticas, unión y costura, que incrementan su resistencia. Los grandes aviones de pasillo único y los B777 y A330 de doble pasillo y largo alcance tienen estructuras primarias en su mayoría metálicas, mientras que los B787 y A350 de doble pasillo tienen en su mayoría estructuras primarias compuestas. Los métodos de fabricación de capas aditivas, el grafeno y los conceptos estructurales biónicos, impulsados por la mejora de la simulación computacional, abren la puerta también a nuevas prestaciones de materiales más ligeros que los actuales. La pared lateral de Diehl Aviation es un caso de éxito en este sentido: incorpora un 9% de materiales de origen biológico y logra una reducción de peso del 10% en comparación con las tecnologías de flancos existentes. Finalmente, la fabricación aditiva abre posibilidades para un diseño mejor optimizado para soportar cargas, al tiempo que reduce el peso en comparación con los componentes tradicionales que realizan la misma función. Tiene que superar la difícil prueba de las certificaciones, pero tecnologías como la inyección de fibras de carbono de la española Reinforce3D permiten producir componentes de aviación no metálicos más ligeros, pero igual de resistentes, con fabricación aditiva.
Cada vez resulta más difícil mejorar la eficiencia térmica, que se sitúa ya en torno al 50-53%, pese a que resulta clave para minimizar el deterioro de los materiales forzados a operar a temperaturas muy elevadas. Se trabaja en tecnologías de turbomaquinaria que mitiguen las ineficiencias actuales en la operación y el enfriamiento de las turbinas a alta temperatura, para lo cual se han desarrollado superaleaciones de níquel y recubrimientos mejorados que permiten que las turbinas soporten los 1.700º C durante muchos miles de ciclos de vuelo. No se esperan mejoras radicales adicionales por esa vía, por lo que el foco se está desplazando hacia los compuestos de matriz cerámica, que generalmente pesan menos que sus componentes metálicos equivalentes, y hacia los nuevos materiales de sección caliente, como las cerámicas eutécticas y las aleaciones intermetálicas, que pueden funcionar a temperaturas más altas que las superaleaciones. El problema de estas últimas es que no se aplican fácilmente a componentes giratorios como los discos y, por lo tanto, se necesitarán tecnologías de sellado y enfriamiento.
Un área con gran potencial para mejorar la eficiencia es la combustión de volumen constante. Dado que la resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad de vuelo, está probado que volar más lento proporciona ahorros de combustible y aterrizar mediante un descenso continuo en un aeropuerto ahorra al menos 150 kg de CO2 por vuelo. En los aeropuertos, se trabaja, de hecho, en las llamadas «salidas verdes», que ayudan a los aviones a despegar y ascender a un ritmo constante. Pasar de 1.037 a 864 km/h permitiría un ahorro de combustible del 13,1%, con la circunstancia añadida de que 11,4 puntos de ese ahorro se obtienen a 913,7 km/h. El estudio Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR) ha apuntado que si el objetivo fuera igualar los ratios de consumo de combustible de la NASA, la velocidad de crucero del avión debería ser de 740 km/h. Pero los criterios económicos han impuesto una velocidad mínima de 864 km/h: volar más lento aumentaría los costes operativos de las aerolíneas al reducir la disponibilidad de las aeronaves.
En materia de motores, las nuevas fuentes de energía inducirán cambios importantes en las arquitecturas de los aviones, al menos en el caso de los propulsados por hidrógeno que podrían ser más lentos y operar en distancias más cortas, al decantarse por diseños de turbohélice. Los motores convencionales avanzados tienen conductos, como el UltraFan de Rolls-Royce, diseñado para satisfacer las necesidades de los mercados de fuselaje ancho, que se ha marcado el reto de conseguir una reducción del consumo de combustible del 20%, en su versión UltraFan H2. Pero gana fuerza una alternativa revolucionaria llamada ventilador sin conductos o motor de rotor abierto, que alcanza velocidades de carga y crucero más altas que con hélices. Se viene investigando en ello en Europa y Estados Unidos desde hace décadas, pero ha sido la norteamericana CFM la primera en anunciar planes de demostración de tecnología dentro de su programa integrado de Innovación Revolucionaria para Motores Sostenibles (RISE). Es significativo que los primeros ensayos en tierra vinieran propiciados por el programa Clean Sky de la UE, pero una empresa de EEUU ha logrado adelantarse en el mercado. Sus principales inconvenientes a la vista son la contención de las palas, la instalación y el tratamiento del ruido de la cabina, que conducirán a una penalización de peso en la aeronave, por lo que no se espera que esté disponible antes de 2035.
Como se ha dicho, entre los condicionantes clave para escalar el modelo de aeronaves electrificadas se encuentra la densidad de potencia de los sistemas de almacenamiento de baterías, aproximadamente de dos órdenes de magnitud menor que la del combustible para aviones, y el alto peso de muchos componentes, así como los efectos de la altitud o algo tan primario como garantizar un nivel de acceso a la energía eléctrica masivo en los aeropuertos. Se están investigando soluciones creativas para el almacenamiento de baterías de aviones, incluidos los estudios de la NASA sobre aviones multifuncionales en los que la estructura sirve simultáneamente como batería, modificaciones que pueden ayudar a mitigar las limitaciones actuales en términos de alcance, carga útil y velocidad.
Cuando estacionan en el aeropuerto, los aviones deben tener energía para proporcionar aire acondicionado y electricidad y también para arrancar los motores, para lo cual están equipados con un pequeño generador en la cola llamado unidad de potencia auxiliar (APU). Muchos aeropuertos ofrecen energía eléctrica fija en tierra y aire preacondicionado, para que los pilotos puedan apagar la APU mientras están en tierra. Los aviones pequeños totalmente eléctricos o híbridos-eléctricos, la opción que dominará en un principio, como el E-Fan X que desarrollan Rolls-Royce, Airbus y Siemens, muestran todavía una enorme dependencia de los combustibles sintéticos. Podrían estar en servicio antes de 2035 y abrir la puesta a los modelos de mayor tamaño a partir de 2050.
Conforme se acerca su generalización, irrumpen nuevos modelos de negocio que transformarán la aviación: la norteamericana Ampaire se quiere posicionar en la aviación híbrida-eléctrica y a principios de 2024 sumaba ya casi 30.000 kilómetros recorridos; otras, como la canadiense Azzera,ofrecen una plataforma B2B de software que permite a las aerolíneas y a los gobiernos gestionar de emisiones. El proyecto europeo FUTPRINT50 pretende acelerar las tecnologías de electrificación para la aviación centrándose en el almacenamiento y recolección de energía y la gestión térmica. Su intención es plasmarlo en un avión híbrido-eléctrico de hasta 50 asientos 2035.
La lucha por la sostenibilidad tiene también como aliado al software. La inteligencia artificial (IA) se utilizará para capacitar a pilotos, proporcionar mejores datos de vuelo en tiempo real y predecir los patrones de reserva de los clientes, de modo que las aerolíneas puedan gestionar mejor los recursos. ¿Les seguiremos llamando pilotos? ¿O, dados los niveles de autonomía de los aviones de nueva generación, deberían redefinirse como operadores de sistemas? Son algunas de las preguntas que se formula la Empresa Conjunta SESAR 3 (SESAR-JU) impulsada por la Comisión Europea. Una línea de investigación clara busca aprovechar las condiciones climáticas a gran altura. Los pilotos y los planificadores estudian los patrones de viento antes de la salida y dirigen el avión hacia las corrientes más para reducir el tiempo de vuelo y las emisiones. Se ha demostrado que los vuelos de Nueva York a Londres podrían ser hasta un 16,4% más cortos y que las rutas de vuelo actuales tienen distancias aéreas que suelen ser varios cientos de kilómetros más largas que las optimizadas con combustible. Los ahorros potenciales de distancia aérea oscilan entre el 0,7% y el 7,8% cuando se vuela hacia el oeste y entre el 0,7% y el 16,4% cuando se vuela hacia el este.
Las rutas flexibles se usan ya en trayectos largos y poco concurridos, pero cobra protagonismo una nueva tecnología de vigilancia, similar al GPS, para las más congestionadas, al tiempo que se mejora el diseño de las rutas de vuelo más apropiadas hacia los aeropuertos con aproximaciones a pistas difíciles, por ejemplo, en áreas montañosas. Esas técnicas de aproximación pueden ahorrar millones de toneladas de combustible y CO2. Eurocontrol está potenciando el uso de la IA dentro de los aeropuertos para tareas como la asignación de pistas minimizando el CO2, objetivo de un proyecto iniciado en el aeropuerto Charles de Gaulle de París, y la optimización de tiempos de respuesta mediante aprendizaje automático. En el área de ingeniería, el diseño paramétrico asistido por IA está suponiendo toda una revolución. Los fabricantes más avanzados, como Airbus y Boeing, disponen de complejas infraestructuras de simulación y ecosistemas de entornos de prueba totalmente virtuales que utilizan para la fase de diseño, pero también para las de verificación y validación, por ejemplo, para identificar piezas que se pueden cambiar con menos frecuencia sin afectar los niveles de confianza. El sector no se mantiene, sin embargo, al margen del desafío que representa la brecha de talento en la informática mundial.
Interés geográfico y turístico por la I+D
La posición geográfica de España y el peso del turismo en su economía convierten a la carrera tecnológica por la aviación sostenible en un asunto de máximo interés estratégico para el país. Pese a ello, la reacción de los principales actores ha sido relativamente reciente. El Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030 apenas menciona el desafío al referirse a la decisiva contribución de los biocarburantes al cumplimientos de los objetivos de reducción del consumo de combustibles de origen fósil en el sector del transporte por carretera y la aviación. El plan plantea un impulso específico de su producción, todavía escasa debido a la limitada disponibilidad de algunas materias primas y al bajo nivel de madurez tecnológica de algunos de los procesos que intervienen en la formación de los biocarburantes.
Conforme se acercaba el primero de los plazos establecidos por Bruselas, especialmente en lo que se refiere a la utilización del SAF, se han producido los primeros movimientos en regiones en las que el sector aeronáutico tiene una presencia significativa. El proyecto Madrid Vuela Sostenible es un consorcio liderado por Repsol, desde su centro de innovación, Technology Lab, ubicado en Móstoles, en el que participan también el centro de investigación de la Comunidad de Madrid, IMDEA Energía, la pyme tecnológica Ariema y la startup Evoenzyme. Por su parte, la Junta de Andalucía y el Ayuntamiento de Jerez de la Frontera colaborarán en la creación de un ‘hub’ de la industria aeronáutica centrado en la aviación sostenible con el que persiguen atraer el interés de empresas del ámbito de los nuevos combustibles y de las actividades de mantenimiento, reparación y operación.
Iberia realizó en 2021 el primer vuelo en España con biocombustible producido a partir de residuos en la refinería de Petronor, y ese mismo año Vueling hizo lo mismo entre Barcelona y Sevilla con SAF generado en Tarragona por Repsol a partir de biomasa. Un año después, Iberia operó en colaboración con Repsol sus primeros vuelos de larga distancia con este biocombustible desde Madrid a Washington, San Francisco y Dallas. Ambas compañías forman parte del hub de innovación tecnológica All4Zero. En julio de 2024, llegaron a un acuerdo para el suministro de más de 28.000 toneladas de SAF, la mayor compra de este producto hasta la fecha en España. Desde febrero de ese año, el grupo tenía asegurado un tercio del SAF necesario para cumplir con su objetivo de utilizar un 10% de combustible sostenible en 2030.
La presencia en nuestro país de una potente base de empresas proveedoras de componentes de Airbus y, en menor medida, Boeing ha consolidado una capa de centros tecnológicos con niveles avanzados de investigación en el campo de los nuevos materiales alternativos al metal para la aviación sostenible. El Instituto Tecnológico del Plástico AIMPLAS ha creado junto a Tekniker una novedosa metodología para el tratamiento de fin de vida de estos materiales dentro del proyecto europeo SPARTA. Su proceso aborda el reciclaje y posterior fabricación de composites termoplásticos como la polietercetonacetona (PEKK) de alto rendimiento reforzado con fibra de carbono continua, mediante deposición automática y reprocesado a través de moldeo por compresión.
En Castilla y León, los centros tecnológicos CIDAUT y CTME han desarrollado el interesante proyecto COMP_COAT, junto a las empresas Aciturri Engineering y MPB Aerospace, ambas del sector aeroespacial, orientado a mejorar las propiedades de materiales composites y plásticos técnicos aplicando la tecnología de proyección térmica, que implica a cerámica y metales, en la superficie. Han analizado propiedades como la resistencia a la temperatura, el desgaste y la erosión, la conductividad eléctrica en superficie, la biocompatibilidad, y la protección UV larga duración, entre otras. Como resultado del proyecto se han desarrollado distintos procesos para mejorar las funcionalidades de los composites y plásticos técnicos mediante proyección térmica con aplicaciones en diversos sectores industriales.