Dois anos atrás, a Airbus revelou vários conceitos possíveis de aeronaves – conhecidos coletivamente como “ZEROe” – que estão ajudando a definir o primeiro avião comercial de emissão zero do mundo, que pode entrar em serviço a partir de 2035. Embora esses conceitos explorem várias categorias de tamanho, desenhos aerodinâmicos e arquiteturas dos sistemas de propulsão, todos eles têm uma coisa em comum: são movidos a hidrogênio.
A empresa aeronáutica joga, assim, o mesmo jogo que a maior montadora de automóveis do mundo, a Toyota – que está investindo firmemente no desenvolvimento de células de combustível de hidrogênio e de tecnologia de combustão de hidrogênio para alimentar seus carros do futuro, como o Toyota Corolla Cross H2 Concept.
Veja como a Airbus está apostando no motor a hidrogênio para aviões
Dos conceitos de aeronaves apresentados pela Airbus, três têm motores que usam combustão de hidrogênio para acionar suas turbinas a gás – semelhante à forma como os turbofans e turboélices queimam querosene hoje, mas sem as emissões de CO2 e particulados deste último.
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Ao mesmo tempo, uma quarta aeronave conceito ZEROe, representando um avião regional de 100 assentos no formato de asa alta, apresenta seis hélices de oito pás conectadas a cápsulas de motor – uma configuração recentemente patenteada pela Airbus.
Embora se pareçam externamente com turboélices, essas cápsulas na verdade contêm células de combustível de hidrogênio que produzem eletricidade – como resultado de uma reação eletroquímica – para alimentar motores elétricos.
É nesse contexto que a Airbus vem conduzindo estudos de viabilidade e testes de laboratório para criar um motor de célula de combustível totalmente funcional e um protótipo que possa ser testado em voo em meados desta década – por volta de 2026.
Anunciado publicamente pela primeira vez em 30 de novembro deste ano no Airbus Summit, o protótipo usará a plataforma de teste de voo multimodal da Airbus – o icônico A380 MSN001. A aeronave será modificada externamente para transportar a capsula do motor de célula de combustível, enquanto dentro da fuselagem traseira da aeronave a Airbus instalará um tanque criogênico exclusivo para conter o hidrogênio liquefeito.
Como isso funciona
Para este protótipo de testes, o hidrogênio líquido do tanque criogênico é convertido em estado gasoso. Em seguida, é distribuído para a célula de combustível por meio de linhas de abastecimento que seguem do tanque através de uma estrutura de suporte aerodinâmica e de suporte de carga externa para a interface do pilão do motor.
A partir daí, o hidrogênio gasoso entra na célula de combustível dentro da cápsula, onde as moléculas de dioxigênio (O2) também são fornecidas por um fluxo controlado de ar – retirado da atmosfera circundante. A reação resultante dentro da célula de combustível produz corrente elétrica contínua (DC) que é posteriormente convertida em corrente alternada (AC) por meio de inversores.
Os motores elétricos perto da frente da cápsula convertem a energia elétrica em energia mecânica, comunicando o torque a uma caixa de engrenagens de redução. No final da cadeia de propulsão, a hélice fornece o impulso.
A energia térmica gerada pela célula de combustível precisa ser transportada por um sistema de refrigeração líquida para trocadores de calor onde é dissipada no ar ambiente. A água também é produzida como subproduto da reação eletroquímica que é expelida por uma saída na parte de trás da cápsula.
Modificando o Airbus A380
O A380 – maior avião da Airbus – foi a escolha óbvia como base para o protótipo de testes com motor de célula de combustível de hidrogênio. “Ele tem muito espaço interno – portanto, não há restrições em termos de acomodar tudo o que precisamos, bem como a capacidade de testar várias configurações”, explica Mathias Andriamisaina, chefe de Protótipos e Testes ZEROe da Airbus.
“Em termos de aerodinâmica, o A380 é uma aeronave muito estável. Portanto, a cápsula presa à fuselagem traseira não representa um grande problema. Além disso, os fluxos de ar da cápsula e sua hélice não afetam o fluxo de ar sobre as superfícies da cauda do A380”, acrescenta.
O conceito geral que as equipes adotaram foi fazer o mínimo de modificação estrutural dentro do A380. Enquanto a maior parte do equipamento está instalada fora da aeronave, dentro da aeronave fica o que a equipe chama de “tenda” – uma caixa de 10 metros de comprimento e 4 metros de largura com seção parabólica, que será fabricada em fibra de carbono por uma equipe da Airbus Atlantic no Technocentre de Nantes – o centro de pesquisa e desenvolvimento da empresa aeronáutica.
Dentro dessa estrutura podem ser alojados até quatro tanques criogênicos contendo o hidrogênio líquido. Durante os testes de voo, o ar real dentro da tenda estará na mesma pressão que fora da aeronave. Ou seja, o equipamento instalado dentro desta tenda apenas “enxergará” o ambiente atmosférico despressurizado.
“O uso dessa abordagem evita o risco de qualquer hidrogênio entrar no interior pressurizado principal do A380, porque todos os roteamentos de hidrogênio do tanque também estarão localizados dentro de nosso ambiente de tenda de proteção. Também existem linhas de ventilação de emergência, para que possamos expulsar o hidrogênio dessa linha de emergência, se necessário”, explica Andriamisaina.
Próximos passos
Extensas atividades de teste de solo já estão bem encaminhadas. Os exemplos incluem as bancadas elétricas, sistemas de gerenciamento térmico e várias bancadas de integração de células de combustível.
A partir de 2024, haverá bancos de teste integrados adicionais, como: um banco de integração do sistema de célula de combustível com uma pilha de célula de combustível de 200kW e uma câmara climática; uma bancada de integração funcional (FIB) para o sistema de controle do motor para validar interfaces e atuadores reais; e uma Bancada de Integração de Hélices.
O último irá explorar a integração da caixa de engrenagens de atuação do passo da hélice, resistência da caixa de engrenagens e testes de liberação parcial da lâmina.
Ainda a partir daquele ano, haverá também uma “cápsula de ferro”. Este equipamento de teste reunirá pela primeira vez vários ingredientes-chave: 800kW de potência de célula de combustível para dois motores elétricos; as unidades de controle do motor; a caixa de velocidades; o novo sistema de distribuição e conversão elétrica de alta tensão; e o sistema de refrigeração líquida.
Até 2026, e estando tudo bem após os vários testes de bancada, as equipes poderão testar todo o sistema na bancada de testes integrada (ITB). Isso incluirá a cápsula de célula de combustível padrão de voo, completao com todos os seus vários sistemas e, claro, a hélice. O ITB, que será construído em 2024, será conectado à mesma instrumentação de teste de voo do A380 MSN001.
“Entre agora e os testes de voo em 2026, temos muitos desafios pela frente, não apenas no design, mas também nos testes”, declara Andriamisaina.
