Si hay una cosa importante que está frenando una revolución eléctrica en el mundo de la aviación, es el almacenamiento de energía. Pero hay un montón de personas muy inteligentes que se enfrentan al problema de cómo aumentar la densidad de energía de las baterías, y otra facción en crecimiento que trabaja para hacer de los sistemas de propulsión de pilas de combustible de hidrógeno de carga rápida y de largo alcance el estándar para vuelos futuros.

De cualquier manera, va a suceder en las próximas décadas, y una nueva compañía de Minneapolis está dirigiendo su atención al otro elemento crítico del sistema de propulsión. Las tecnologías H3X están saliendo de la compuerta con un diseño de motor eléctrico integrado que dice que puede entregar la misma potencia sostenida que algunos de los mejores motores del mercado a un tercio o menos del peso total.

El peso, por supuesto, es un gran problema en la aviación – y eso es doble para los aviones eléctricos. Cada libra transportada hacia el cielo representa una libra menos de carga útil que puede transportar, una reducción en el alcance que obtendrá de su batería o tanque de hidrógeno y, en última instancia, una pérdida de dinero para el propietario.

Con aviones eléctricos pequeños y medianos que comienzan a entrar en servicio comercial, y el prometedor ascenso del segmento de taxis aéreos eVTOL para siempre a la vuelta de la esquina, H3X ve grandes oportunidades por delante para un ahorrador de peso monstruoso como su motor HPDM-250.

La primera versión tendrá un peso de 15 kg (33 lb) y hacer 200 kW de potencia continua, alcanzando un máximo de hasta 250 kW. Eso es 13,3 kilovatios continuos por kilogramo, una densidad de potencia extraordinaria. En comparación, el motor de flujo axial Magnax que cubrimos en 2018 cuenta con 15 kW/kg, pero eso es potencia máxima; su densidad de potencia continua es más de 7,5 kW/kg.

Y eso en sí mismo es absolutamente excepcional. El motor utilizado en el primer vuelo comercial de aviones eléctricos del mundo el año pasado por Harbour Air fue un Magnix Magni500 – sí, hay compañías de motores eléctricos competidoras llamadas Magnix y Magnax – y la densidad de potencia de esa cosa es más de 4,2 kW/kg.

Además, ninguno de los motores anteriores tiene un inversor incorporado, por lo que hay un peso extra que debe llevar: 12 kg (33 lb) en el caso del sistema de accionamiento Magnix. El diseño H3X tiene su inversor integrado en su cuerpo de prisma hexagonal.

La mayor eficiencia del motor es a 20.000 rpm, que es mucho más rápido de lo que haría girar una hélice, por lo que el H3X también puede equiparse con una caja de cambios planetaria integrada con una relación de reducción de 4:1, lo que conlleva un costo de peso de solo tres kilos adicionales (6,6 libras). El fundador y CEO de H3X, Jason Sylvestre, nos dice que el equipo podría haber diseñado el motor para girar más lento y eliminar la caja de cambios, pero la eficiencia general y la densidad de potencia se habrían visto afectadas.

H3X

El máximo de eficiencia combinada del H3X HPDM-250 entre el motor, la caja de cambios y el inversor en esta configuración, la que es más probable que se use a bordo de un avión eléctrico, es del 92,9 por ciento. Eso es más o menos un golpe en la eficiencia energética del Magni500, solo que con una potencia de salida mucho más alta por unidad de peso. Su densidad de potencia continua con la caja de cambios a bordo es de 11,1 kW / kg, aún lejos de la competencia.

¿Cómo ha logrado este equipo de inicio de Minneapolis un salto tan notable en la densidad de potencia? Sylvestre nos dice que es una combinación de factores que se suman.

«El HPDM-250 ha sido diseñado para superar los límites de rendimiento al tiempo que minimiza la masa del sistema», dice. «Es el producto de la innovación pendiente de patente en múltiples áreas y cuenta con el más alto nivel de integración en el mercado. Esto incluye optimización electromagnética, fabricación aditiva, materiales avanzados y electrónica de potencia SiC de alta frecuencia.

» Cabe destacar dos innovaciones: utilizamos una única camisa de refrigeración sinérgica para enfriar simultáneamente la electrónica de potencia y el motor. Esta integración reduce la masa y el volumen del sistema. Las bobinas de estator de cobre fabricadas con aditivos se utilizan para aumentar el factor de llenado de cobre y mejorar la capacidad de densidad de corriente continua. Esta es una nueva tecnología que tiene el potencial de revolucionar la industria de fabricación de motores, ya que ofrece un desarrollo más rápido, un mejor rendimiento y una mayor flexibilidad de diseño.»

Esas bobinas de estator de cobre impresas en 3D no solo permiten que el H3X quepa más cobre en un espacio más pequeño, sino que ayudan mucho con la refrigeración, lo que permite que el HPDM-250 funcione más cerca de su potencia máxima sin generar cantidades inmanejables de calor. Y Sylvestre dice que la fabricación aditiva significa que este motor será rápido para crear prototipos, iterar, escalar a diferentes tamaños y niveles de potencia, y ajustarse a los requisitos del cliente.

H3X

Sylvestre nos dice que, a pesar de que los componentes están bien empaquetados en el diseño del motor, su carcasa de seis cubiertas facilita el acceso en las raras ocasiones en que necesite abrirlo.

Reemplazar un motor de aproximadamente 50 kg (110 lb) por uno de 18 kg (40 lb) proporcionará un pequeño y sabroso dividendo de peso en un avión de un solo pilar, pero los beneficios aumentarán cuantos más motores utilice su diseño. Sylvestre considera que este diseño ofrece importantes ventajas de carga útil, costo y alcance a los taxis aéreos eVTOL que normalmente utilizan más de seis accesorios. Pero H3X tiene la mira puesta en objetivos más grandes.

«En los próximos cinco años, vamos a ver esos eVTOLs y pequeños aviones eléctricos», dice Sylvestre. «Pero para alrededor de 2030, comenzaremos a ver la electrificación de grandes aviones comerciales. Eso es lo que realmente quieres perseguir. Aviones del tamaño de un Boeing 737, representan alrededor del 50 por ciento de todas las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector aeronáutico. Un avión que utiliza propulsión distribuida con múltiples motores de 250 kW, tal vez 16 o más, a lo largo de cada ala. Pueden imaginar que el peso de esos se sumará, y ahí es donde un motor como el nuestro podría hacer una gran diferencia.»

Como siempre, las reclamaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, por lo que esperamos escuchar cómo funciona el prototipo.

«Estamos en el proceso de creación de prototipos en este momento», dice Sylvestre. «Deberíamos probarlo para el segundo trimestre del próximo año. En cuanto al negocio, estamos buscando obtener cartas de intención de clientes potenciales y asociarnos con los primeros inversionistas para expandir H3X. Hemos estado operando en gran medida en modo oculto.»

Uno para vigilar.