En el sector aeronáutico hay una tendencia a la miniaturización de los sensores, maximización de datos y minimización de pesos. Los sistemas dotados con energy harvesting may be the key in the short term.
Me encantan los Simpsons. Todo el mundo que me conoce lo sabe. Y todos saben que suelo utilizar muchas frases que aparecen en sus capítulos. Una de ellas es “Christianity". Homer mentions it when Lisa comments that "Germans have the same word for crisis as they do for opportunity". To which Homer replies: "Yes, crisis-unity". And it is just that, the crisistunities that appear in the engineering world when there are something unwanted that causes an unexpected improvement. A clear example of this was the so-called "elk test" in the Mercedes A-class and the electronic stability system, or ESP (1), as well as the electronic brake distribution, or EBD.
And what is the crisistunity in the aeronautical world today? Well, it is related to a term, energy harvesting (recolección de energía)which is not particularly new. It has been around in technical dictionaries for more than two decades, but with the latest miniaturisations, IoT devices (Internet of Things) and non-reliance on the grid for certain systems is taking on an appreciable critical mass.
El concepto es sencillo, y casi autoexplicativo con su nombre: Se trata de extract energy from the system's surrounding environment. 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 in a city would be more appropriate as an exemplification.
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 son lo que ha tardado en fraguar. Ahora, queremos alimentar micro o nanosistemas autónomos por medio de energías residuales o parásitas del sistema where they are attached. To put it more simply, it would be like imitating the behaviour of the parasite (a mosquito) that draws its energy from our blood to continue flying.
And thanks to advances in MEMS technologies (Micro-ElectroMechanical Systems) of the last decade, it is now possible to apply the systems of Energy Harvesting a microsistemas 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…
A typical and simple to understand example is that of a MEMS which, by means of the vibration of the host system, manages to oscillate a foil that excites a quartz crystal and, through these electrical impulses, charges a capacitor. It is very similar to the mechanism of automatic watches that do not need winding, as they extract energy from the movement of a toothed wheel on a set of rubies or sapphires.
And where could these systems be used? In a multitude of applications. But we will focus on those in the aeronautical world.
Vibrations: 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 transformen 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.
Heat extraction: El antiguo método de las centrales térmicas o termosolares, puede aprovecharse también. Por ejemplo, en la etapa de postcombustión de las turbinas, las temperaturas pueden ser extremadamente elevadas, de tal forma que se pueden diseñar microsistemas 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.
Fluid circulation: 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 microturbina 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 refuerce el sistema de alertas tempranas.
Air flow circulationIn much the same way as fluid generation, airflows from NACA intakes, Pitot tubes, or other airflow inlets could be used to generate electricity by means of micro-windmills. And as above, they could be used to power and sense hard-to-reach systems that are excluded from the main electrical system, or as redundant measurement systems for flight variables that must be continuously monitored.
Radio frequencies: 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, les podemos incluir, por ejemplo, microgalgas 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 shall respond with information on the maximum deformation experienced.
As can be seen, the range of options and applications is vast. This is only a small sample of applications that have been developed or are under investigation. What is certain, however, is that they will be used more and more, given that the trend is towards miniaturisation of sensors, maximisation of data (more sensors per cubic metre) and minimisation of weights. And on these three points, systems equipped with energy harvestinghave a lot of points in their favour.
Leading companies in aerospace technology, such as AERTEC, are already prepared to design and implement this new aeronautical resource. Will you join us?
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Temas relacionados con esta publicación: Aircraft systems y Electrificación de aeronaves.
