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 em 2035. Embora esses conceitos explorem várias categorias de tamanho, layouts aerodinâmicos e propulsão arquiteturas de sistemas, todos eles têm uma coisa em comum: são movidos a hidrogênio. Três deles 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.

Enquanto isso, uma quarta aeronave conceito ZEROe, representando um avião regional de 100 assentos 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 de classe megawatt totalmente funcional e um demonstrador 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 demonstrador usará a plataforma de teste de voo multimodal da Airbus – o icônico A380 MSN001. A aeronave será modificada externamente para transportar o pod 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 funciona

Para este demonstrador de prova de conceito, 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 vão do tanque e 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 do pod 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 A380

O A380 foi a escolha óbvia como ‘anfitrião’ para o demonstrador do 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”, diz Mathias Andriamisaina, chefe de Demonstradores e Testes ZEROe da Airbus.

“Em termos de aerodinâmica, o A380 é uma aeronave muito estável. Portanto, o pod preso à fuselagem traseira por meio do stub não representa um grande problema. Além disso, os fluxos de ar do casulo e sua hélice não afetam o fluxo de ar sobre as superfícies da cauda do A380”, acrescenta.

“Com o A380 também temos uma aeronave totalmente instrumentada. A instrumentação de teste de voo (FTI) é uma grande parte do projeto e pode ser um grande impulsionador em termos de custo e planejamento. Portanto, o MSN001 foi perfeito para nós.”

O conceito geral que as equipes adotaram foi fazer o mínimo de modificação estrutural dentro do A380. “Estamos apenas reforçando duas armações da fuselagem e depois encaixando essa ponta externamente. Em seguida, estamos instalando um pilão especialmente adaptado para prender a estrutura do casulo a este toco. No geral, será capaz de suportar altas cargas estáticas e dinâmicas sustentadas”, observa.

Enquanto a maior parte do equipamento está instalada fora da aeronave, dentro da aeronave está 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. 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 ‘enxerga’ o ambiente atmosférico despressurizado. Isso inclui as linhas de abastecimento de hidrogênio do tanque, que é direcionado diretamente da tenda para o stub (também feito em Nantes) e depois para o pod montado externamente (a ser montado na fábrica da Airbus em St Eloi em Toulouse).

“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 Mathias.

 

Outros ‘primeiros’ da Airbus

“Tudo o que diz respeito ao centro de distribuição e à unidade de controle do motor está sendo produzido internamente – esta é uma atividade da ‘Airbus’”, entusiasma-se Mathias. “Além disso, o sistema de propulsão e a caixa de câmbio associada e o controle de inclinação são desenvolvidos por nossos próprios colegas da Airbus Helicopters e de Defesa e Espaço. É a primeira vez que a Airbus está criando um motor desse tipo – é um grande desafio”.

Outras novidades da Airbus incluem a adoção de uma arquitetura elétrica distribuída de alta tensão para até 1.000 Volts DC e também a criação de um sistema de controle de motor sob medida – isso traduzirá o impulso comandado pela tripulação na potência real do eixo.

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 (PIB). 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.

Paralelamente, os recém-desenvolvidos centros de energia e conversores de energia para o demonstrador de voo com célula de combustível serão conectados ao equipamento de teste “iron bird” do A380 para integrá-los ao hardware A380 ATA Capítulo 24 legado (energia elétrica).

Ainda naquele 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; um suprimento de ar de ‘vôo’ e o sistema de refrigeração líquida.

Até 2026, e estando tudo bem a seguir aos vários testes de bancada de integração, as equipas poderão testar todo o sistema na bancada de testes integrada (ITB). Isso incluirá o pod de célula de combustível padrão de voo, completo 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 e também haverá uma sala de controle co-localizada para treinamento da tripulação de voo.

“Entre agora e os testes de voo em 2026, temos muitos desafios pela frente, não apenas no design, com certeza, mas também nos testes!” declara Mathias.

Fonte: Airbus