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Crisistunidad: Cosechando energía

Javier Galnares

Javier Galnares

AERTEC / Aerospace & Defence Systems

Me encantan los Simpsons. Todo el mundo que me conoce lo sabe, y saben que suelo utilizar muchas frases que aparecen en sus capítulos. Una de ellas es “Crisistunidad”. La menciona Homer cuando Lisa le comenta que “los alemanes tienen la misma palabra para decir crisis que para decir oportunidad”. A lo que Homer replica: “Sí, crisis-tunidad”. Y es justo eso, las crisistunidades que aparecen en el mundo de la ingeniería cuando hay algo indeseado que provoca una mejora inesperada. Un ejemplo claro de esto fue la llamada “prueba del alce” en los Mercedes clase A y el sistema electrónico de estabilidad, o ESP (1), así como el de reparto electrónico de la frenada, o EBD.

En la industria aeronáutica hay una tendencia a la miniaturización de los sensores, maximización de datos y minimización de pesos. Los sistemas dotados con energy harvesting pueden ser la clave a corto plazo.

¿Y cuál es la crisis-tunidad en el mundo aeronáutico, hoy en día? Pues está relacionada con un término, energy harvesting (recolección de energía), que no es especialmente nuevo. Lleva rondando los diccionarios técnicos más de dos décadas, pero con las últimas miniaturizaciones, dispositivos IoT (Internet of Things) y la no dependencia de la red eléctrica para ciertos sistemas, está tomando una masa crítica apreciable.

El concepto es sencillo, y casi auto-explicativo con su nombre: Se trata de extraer energía del entorno circundante del sistema. Así de sencillo. Pero hay un matiz. Por ejemplo, ¿Es una placa solar un sistema de cosechamiento de energía? La respuesta es no, ya que ese es un sistema de generación de energía. Un sistema que incluya una celda fotovoltaica y una Raspberry Pi (2) para monitorizar el CO2 en una ciudad, sí sería más adecuado como ejemplificación.

Bueno, ¿y qué novedad presenta este reto si se lleva usando décadas? La respuesta sigue siendo sencilla, pero la explicación técnica y su desarrollo práctico es lo que ha tardado en fraguar. Ahora, queremos alimentar micro o nano sistemas autónomos por medio de energías residuales o parásitas del sistema donde están acoplados. Explicándolo en palabras más llanas, sería como imitar el comportamiento del parásito (un mosquito) que extrae de nuestra sangre su energía para seguir volando.

Y gracias a los avances en las tecnologías MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) de la última década, ahora se pueden aplicar los sistemas de Energy Harvesting a micro-sistemas o sensores aislados. Los MEMS se basan en “tallar” en el silicio (el material base del 99.9% de los chips que se comercializan) sistemas mecánicos muy diversos: Muelles, difusores, membranas…

Un ejemplo típico y sencillo de entender es el de un MEMS que, por medio de la vibración del sistema anfitrión, consiga hacer oscilar una lámina que excite un cristal de cuarzo y, a través de esos impulsos eléctricos, cargar un condensador. Es muy parecido al mecanismo de los relojes automáticos que no necesitan cuerda, ya que extraen la energía del movimiento de una rueda dentada sobre un conjunto de rubíes o zafiros.

¿Y dónde se podrían utilizar estos sistemas? En multitud de aplicaciones. Pero nos centraremos en aquellas del mundo aeronáutico.

Vibraciones: Las alas de las aeronaves están expuestas a continuas vibraciones por la propia aerodinámica del vuelo, los motores y las ráfagas de aire. Son el lugar perfecto para colocar sistemas captadores que las trasformen a energía aprovechable. Por ejemplo, en las alas se suelen ubicar los depósitos de combustible, de tal modo que si colocamos unos sistemas aislados y que se alimenten por vibraciones y transmitan por radiofrecuencia la información a la cabina o a los técnicos de mantenimiento en tierra, pueden servir como sistema auxiliar de medida del nivel de combustible, o dotarlos de cámaras y LEDs y hacer inspecciones internas sin tener que acceder a la misma.

Extracción de calor: El antiguo método de las centrales térmicas o termosolares, puede aprovecharse también. Por ejemplo, en la etapa de post-combustión de las turbinas, las temperaturas pueden ser extremadamente elevadas, de tal forma que se pueden diseñar micro-sistemas que aprovechen el intercambio de calor para generar electricidad y, por ejemplo, crear un mapa de medidas de temperatura de la tobera para hacer mantenimientos predictivos o análisis de fallos en nuevos prototipos.

Circulación de fluidos: Cada vez más, se sustituirán los fluidos (hidráulicos y combustible) de los aviones, por sistemas electromecánicos o baterías, pero mientras ocurre, se pueden utilizar para generar electricidad. Por ejemplo, se puede acoplar una micro-turbina en un caudal de retorno auxiliar de combustible, que al pasar el fluido a su través, genere una corriente eléctrica que lo estimule y mida, de manera redundante a los sistemas principales, el consumo de combustible. O incluirle un contador de partículas metálicas o de contaminación cruzada de fluidos, de tal modo que se refuerze el sistema de alertas tempranas.

Circulación de caudales de aire: De manera muy similar a la generación con fluidos, los caudales de aire de las tomas NACA, tubos de Pitot, u otras entradas de corriente de aire, se podrían utilizar para generar electricidad por medio de micro-molinos. E igualmente como en el caso anterior, se podrían utilizar para alimentar y sensar sistemas de difícil acceso que queden excluidos del sistema eléctrico principal, o como sistemas de medida redundantes de las variables de vuelo que se deben monitorizar continuamente.

Radio-frecuencias: Este último método, si bien parece el más moderno, es una tecnología de la Segunda Guerra Mundial. Se basa en la teoría de los campos electromagnéticos resonantes, y consiste en que un interrogador emite un patrón en una frecuencia en la que el receptor, resuena, devolviendo como un espejo casi toda la energía emitida, pero incluyendo su firma (sus datos almacenados) en esa respuesta. Es muy similar a las etiquetas RFID que hoy en día encontramos en multitud de productos cotidianos. La diferencia radica en que las etiquetas que acoplemos o imprimamos directamente en las superficies del avión, le podemos incluir, por ejemplo, micro-galgas extensiométricas, que midan las deformaciones y tensiones en la superficie del avión. Tras un vuelo normal o de pruebas, se escanea con un interrogador todas las superficies de la aeronave, y cada etiqueta o tag responderá con la información de la deformación máxima experimentada.

Como se puede ver, el abanico de opciones y aplicaciones es amplísimo. Esto solo es una pequeña muestra de aplicaciones que se han desarrollado o están en investigación. Pero lo que es seguro, es que se utilizarán cada vez más, puesto que se tiende a la miniaturización de los sensores, maximización de datos (más sensores por metro cúbico) y minimización de pesos. Y en estos tres puntos, los sistemas dotados con energy harvesting, tienen muchos puntos a su favor.

Empresas punteras en tecnología aeroespacial, como es el caso de AERTEC, ya están preparadas para diseñar y llevar a la realidad este nuevo recurso aeronáutico. ¿Nos acompañas?

 

Electronics in aviation

 

  1. Puedes saber más sobre la “prueba del alce” en este enlace
  2. Una Raspberry Pi es un ordenador compacto de bajo coste destinado al desarrollo de aplicaciones o realización de prototipos para hacer accesible la informática a todos los usuarios.

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