“La refrigeración compacta y eficiente de los sistemas de pilas de combustible de clase megavatio es el cuello de botella de la aviación con hidrógeno”

Conflux Technology es una empresa especializada en soluciones avanzadas de transferencia de calor que, mediante fabricación aditiva, está redefiniendo el diseño y el rendimiento de los intercambiadores de calor para aplicaciones exigentes. Desde su enfoque en innovación térmica para un futuro más sostenible, la compañía colabora con actores clave de la aviación en proyectos de hidrógeno. En esta entrevista, Michael Fuller, fundador y presidente ejecutivo de Conflux Technology, explica cómo su tecnología contribuye a hacer viable la aviación de hidrógeno y qué retos técnicos aún deben superarse.

Nuestra contribución a ZEROe consiste en desarrollar un intercambiador de calor fabricado mediante impresión 3D y adaptado a las cargas térmicas de la arquitectura de propulsión con pilas de combustible de hidrógeno de Airbus, que actualmente se encuentra en fase de evaluación inicial de la madurez tecnológica. Este trabajo se centra en uno de los cuellos de botella reconocidos de la aviación con hidrógeno: la refrigeración compacta y eficiente de los sistemas de pilas de combustible de clase megavatio, que es esencial para que el hidrógeno cumpla su promesa como piedra angular de los vuelos futuros con cero emisiones. La colaboración nos abre el camino para apoyar a los principales innovadores aeronáuticos, entre ellos Airbus, que están allanando activamente el camino hacia la próxima generación de aviones de hidrógeno a medida que el mercado se desarrolla en las próximas décadas.

Los aviones eléctricos de hidrógeno necesitan un rendimiento de refrigeración significativamente mayor por kilogramo y por metro cuadrado de superficie frontal que los sistemas tradicionales, y nuestros diseños de fabricación aditiva están pensados para satisfacer esa necesidad, compactando la superficie y controlando al mismo tiempo la pérdida de presión. Nuestros intercambiadores de calor pueden reducir la masa y eliminar las juntas en comparación con los diseños actuales, lo cual es crucial cuando cada kilogramo afecta directamente al alcance y a la carga útil. Estas características tienen como objetivo reducir el impacto negativo del sistema térmico en el rendimiento, lo cual es un paso importante para que los aviones de hidrógeno sean comercialmente viables.

Además, la combinación de nuestras capacidades de simulación internas y los procesos de fabricación aditiva nos permiten iterar los diseños rápidamente, lo que permite responder más rápido a los comentarios de las pruebas. Esto significa que podemos perfeccionar nuestros intercambiadores de calor para que sean más eficaces a nivel de sistema a medida que evolucionan las arquitecturas de próxima generación.

Con la propulsión por hidrógeno, los retos térmicos pasan de los gases de escape calientes a la gestión de grandes cantidades de calor residual a temperatura relativamente baja procedente de las pilas de combustible, que es más difícil de eliminar de manera eficiente con una diferencia de temperatura limitada con respecto al aire circundante. Basándonos en la experiencia adquirida en programas de aviones de hidrógeno, entre los que se incluyen Airbus y AMSL Aero de Australia, nuestro trabajo se centra en abordar estos retos térmicos mediante el diseño de dispositivos compactos y eficientes para arquitecturas de múltiples bucles que ayudan a reducir el peso total y el impacto de los sistemas térmicos.

Los materiales avanzados, como la aleación de aluminio CP1 y el acero inoxidable 316L, pueden ofrecer una combinación útil de capacidad de pared delgada, conductividad térmica y robustez estructural, que son importantes para los aviones de próxima generación de alto rendimiento y alto ciclo. El control de los canales y las aletas nos permite ajustar las superficies para obtener una transferencia de calor específica, objetivos de caída de presión y tensión, todo lo cual contribuye al equilibrio necesario entre rendimiento y peso. Si bien estas características pueden proporcionar una base técnica sólida para el proceso de certificación, las pruebas a largo plazo y la cualificación según las normas serán, en última instancia, dirigidas y gestionadas por el fabricante de la aeronave y sus socios de certificación; nuestra función es proporcionar diseños y datos que puedan contribuir a ese proceso más amplio.

En el sector aeroespacial, casi todos los componentes se adaptan estrictamente a un fuselaje y una misión específicos, y los intercambiadores de calor no son una excepción. La instalación, los conductos y las interfaces son muy específicos, por lo que un componente genérico casi nunca es óptimo. Por ello, la fabricación aditiva es una opción muy adecuada. Nos permite ajustar el factor de forma, los colectores y la geometría interna a las limitaciones de cada aeronave, lo que permite iteraciones rápidas a medida que evolucionan los demostradores en fase inicial sin necesidad de nuevas herramientas.

En una arquitectura eléctrica de hidrógeno típica, nuestros intercambiadores de calor fabricados mediante AM están diseñados para colocarse en un circuito de refrigeración líquida que elimina el calor de las pilas de combustible, los inversores y otros componentes electrónicos de alta potencia, antes de expulsarlo al aire exterior. Estos circuitos suelen conectarse a placas de refrigeración en componentes clave y se conectan con conductos de aire dinámico o entradas asistidas por ventilador, por lo que el rendimiento del intercambiador de calor influye directamente en las temperaturas del refrigerante, los límites de potencia eléctrica y el tamaño y la resistencia de las entradas de refrigeración. En conceptos más avanzados, existe la posibilidad de que los intercambiadores de calor fabricados mediante AM formen parte de la arquitectura térmica vinculada al acondicionamiento del hidrógeno o a los subsistemas criogénicos.

Es uno de los factores técnicos que determinarán si los aviones de hidrógeno pueden alcanzar el alcance, la carga útil y la fiabilidad necesarios para prestar un servicio regular en rutas regionales y de corta distancia. Consideramos que nuestros intercambiadores de calor AM son un factor clave. Si el sistema de refrigeración es demasiado pesado o requiere entradas grandes que provocan resistencia, se socava la ganancia de eficiencia que se pretende obtener con el hidrógeno y la electrificación. Si el sistema de refrigeración es compacto y eficaz, se puede convertir en vuelo útil una mayor parte de la energía almacenada.

Preferimos centrarnos en el aspecto técnico más que en el debate político. Nuestra opinión es que esta colaboración contribuye a resolver una parte específica y difícil del rompecabezas. El avance en la gestión térmica deberá progresar junto con muchos otros elementos, como el diseño de las aeronaves, los combustibles, las infraestructuras y la normativa. En conjunto, múltiples partes deberán trabajar juntas para cumplir los objetivos climáticos globales.

La mayoría de los conceptos avanzados de gestión térmica que se están debatiendo hoy en día se encuentran todavía en el rango TRL 3 a 5, dependiendo del programa y del subsistema. Eso significa que los elementos clave se han modelado, prototipado y probado en entornos relevantes, pero aún requieren trabajo de integración y pruebas mecánicas y ambientales TRL más avanzadas antes de estar listos para las discusiones de certificación. Es probable que la próxima década se caracterice por una progresión desde los equipos de laboratorio hasta los bancos de pruebas específicos, en lugar de un despliegue comercial a gran escala inmediato. A medida que se demuestre el rendimiento, la seguridad y la durabilidad, los fabricantes de aviones estarán en una posición más sólida para decidir cómo y cuándo incorporar estas soluciones en las futuras plataformas comerciales.

Los retos térmicos en los que estamos trabajando para los aviones de hidrógeno están estrechamente relacionados con lo que vemos en otras aplicaciones del hidrógeno. Los vehículos de carretera, los autobuses, los camiones y los sistemas marítimos necesitan una refrigeración compacta y eficiente a medida que aumentan los niveles de potencia de las pilas de combustible, y se enfrentan a limitaciones similares en cuanto a embalaje, durabilidad y eficiencia. Por lo tanto, nuestra tecnología es intencionadamente transversal a la industria, ya que nuestras geometrías básicas pueden adaptarse rápidamente a diferentes fluidos, presiones y ciclos de trabajo. Esto significa que los avances que logramos con nuestros socios aeroespaciales tienen un gran potencial para informar a un conjunto mucho más amplio de sectores a lo largo del tiempo.