Los aviones eVTOL se enfrentan a un estrés extremo de las baterías durante los despegues verticales, los aterrizajes y las recargas rápidas. Estas operaciones producen un calor intenso que hace que las baterías de iones de litio corran el riesgo de averiarse o incluso de desbocarse térmicamente. Sin un control térmico eficaz, la degradación de las baterías se acelera, la autonomía de vuelo se reduce y la seguridad se vuelve cuestionable, todas ellas preocupaciones críticas en el campo de la aviación. La refrigeración líquida se ha revelado como una solución revolucionaria, que ofrece una gestión térmica superior y allana el camino a aeronaves eVTOL de alto rendimiento, seguras y certificables.
¿Cómo resuelve exactamente la refrigeración líquida el problema del calor en los eVTOL? ¿Qué tecnologías se están desarrollando para apoyar este sistema? En las secciones siguientes exploraremos los mecanismos, las innovaciones y las estrategias de integración que hay detrás de esta solución térmica indispensable, y por qué es fundamental para el éxito de la movilidad aérea urbana.
La refrigeración líquida de los eVTOL consiste en hacer circular refrigerante por canales diseñados directamente en contacto con las celdas de las baterías. Este sistema disipa el calor de forma eficiente durante las fases de mayor tensión, como el despegue y el aterrizaje.
El refrigerante fluye a través de diseños ondulados o microcanales adheridos a las células, extrayendo el calor a un intercambiador de calor compacto. Estos sistemas mantienen la temperatura de las células a ±3 °C de la óptima, evitando daños térmicos.
Los diseños más comunes utilizan mezclas de agua y glicol, canalizadas a través de placas frías o trayectorias serpenteantes que aumentan el contacto superficial y la turbulencia, mejorando el intercambio térmico. Algunos eVTOL, como los de Joby Aviation, emplean paquetes modulares con placas soldadas con láser para una distribución uniforme. En comparación con la refrigeración por aire, estos sistemas reducen significativamente los gradientes térmicos y requieren menos espacio para los conductos de flujo de aire, minimizando la resistencia aerodinámica.(fuente)
La refrigeración por aire puede funcionar para los vehículos eléctricos, pero los eVTOL exigen una eliminación del calor más intensa y rápida, especialmente durante el vuelo vertical y la carga rápida.
La refrigeración líquida reduce la pérdida de capacidad a sólo 0,8% por cada 100 ciclos y permite que la vida útil de la batería supere los 2.000 ciclos de carga y descarga. También permite tiempos de carga rápida inferiores a 10 minutos sin poner en riesgo el revestimiento de litio.
A gran altitud o durante un vuelo estacionario prolongado, los sistemas refrigerados por aire luchan contra la inercia térmica. En cambio, los sistemas de líquido reaccionan con rapidez a los picos de temperatura. Además, aíslan mejor de las oscilaciones de temperatura externas, lo que los hace más fiables en climas diversos. Los módulos integrados de placa fría de Joby y Tecnologías BetaLos sistemas de doble modo ilustran claramente estas ventajas.
A medida que aumentan la potencia y la densidad de las baterías, los ingenieros desarrollan arquitecturas más avanzadas para optimizar la refrigeración líquida sin añadir un peso o una complejidad excesivos.
Tecnologías como la refrigeración por lengüetas, la refrigeración bifásica y la integración de PCM mejoran el rendimiento térmico hasta en 40%, al tiempo que reducen la masa del sistema en más de 30%. Estos diseños se centran en la fuente de calor y ajustan la capacidad de refrigeración dinámicamente.
El sistema de refrigeración por lengüetas de Qdot, adaptado de la investigación sobre fusión nuclear, enfría directamente los colectores de corriente, lo que se traduce en un aumento de temperatura inferior a 5 °C durante las recargas ultrarrápidas. La refrigeración bifásica, como Eagle5 de Intergalacticutiliza microtubos y materiales de cambio de fase para absorber el calor en los picos de carga, reduciendo la potencia de la bomba. Los PCM absorben el calor latente y amortiguan los picos repentinos. Estas innovaciones son cruciales para misiones con cargas térmicas impredecibles.
En aviación, cada gramo cuenta. Los sistemas de refrigeración deben equilibrar la eficiencia térmica con estrictas limitaciones de peso y espacio.
Las aleaciones de aluminio, los compuestos de fibra de carbono y las placas de microcanales impresas en 3D están revolucionando los sistemas de refrigeración eVTOL, reduciendo el peso hasta en 22% sin comprometer la resistencia ni la conductividad.
Una investigación respaldada por la NASA sobre placas frías sinterizadas por láser con canales de 200 µm ha demostrado una uniformidad térmica y una durabilidad superiores. La fabricación aditiva permite geometrías complejas para un flujo óptimo, algo que el mecanizado tradicional no puede conseguir. Estas estructuras también resisten más de 10.000 ciclos de presión, algo fundamental para la certificación aeronáutica. Empresas como AddComposites ya están comercializando este tipo de componentes.(fuente)
Los sistemas de refrigeración deben funcionar a la perfección con la aviónica, la gestión de baterías y los controles de vuelo, a menudo en espacios muy reducidos.
La integración estructural de los componentes del BTMS en el fuselaje del avión reduce el espacio y el peso, al tiempo que mejora la fiabilidad y la seguridad general del sistema.
Las unidades BMS modernas incorporan monitorización térmica en tiempo real y control del flujo de refrigerante. Algunos diseños integran canales de refrigeración en los largueros de las alas o en el alojamiento de las baterías, lo que reduce el desorden y mejora la eficiencia térmica. Las baterías estructurales -en las que las celdas también forman parte del fuselaje- representan una prometedora tendencia de futuro. La integración también mejora la redundancia y la seguridad en situaciones de emergencia.
A pesar de sus ventajas, los sistemas de refrigeración líquida no están exentos de inconvenientes, sobre todo en cuanto a costes, complejidad y regulación.
Entre los problemas cabe citar la masa adicional (límite objetivo: <20% de peso de la batería), el elevado coste de los componentes, la durabilidad de las vibraciones y la falta de normas establecidas de certificación de aeronavegabilidad.
Bombas, radiadores y sensores engrosan la lista de materiales del sistema. Además, la compleja integración con otros sistemas de a bordo introduce puntos de fallo que requieren una ingeniería y una validación sólidas. Los organismos reguladores, como la EASA y la FAA, aún están elaborando las vías de certificación de estos sistemas, lo que ralentiza su adopción masiva. El rendimiento en climas fríos también exige funciones de precalentamiento, validadas en pruebas realizadas en el Ártico por Beta Technologies.
En la próxima década se producirán grandes cambios en las tecnologías de las baterías y las estrategias de gestión térmica, con el objetivo de lograr mayores densidades de energía y un funcionamiento más seguro.
Entre las tendencias emergentes se encuentran las baterías de estado sólido, los diseños de refrigeración optimizados por inteligencia artificial, los sistemas criogénicos de hidrógeno y los materiales sostenibles, todo ello con el objetivo de alcanzar el umbral de los 500 Wh/kg.
Las baterías de estado sólido eliminan los electrolitos líquidos inflamables, lo que reduce las necesidades de refrigeración y aumenta el almacenamiento de energía. Algoritmos de IA como NSGA-II ya se utilizan para optimizar el trazado de los canales de refrigeración y los caudales en la simulación. GKN Aeroespacialy las iniciativas de reciclado de fibra de carbono de Boeing muestran cómo los sistemas de refrigeración están evolucionando hacia la sostenibilidad. La colaboración entre industrias será crucial para dar forma a las normas y la escalabilidad.
La refrigeración líquida ya no es opcional, sino esencial para el funcionamiento seguro y fiable de las aeronaves eVTOL. Desde prolongar la vida útil de la batería y permitir la carga rápida hasta gestionar los picos térmicos durante el vuelo vertical, estos sistemas abordan los obstáculos técnicos más acuciantes de la movilidad aérea urbana. A medida que avancen la ciencia de los materiales, la fabricación y las herramientas de diseño, la refrigeración líquida se convertirá en una columna vertebral más ligera, inteligente e integrada de la próxima generación de aeronaves eléctricas. Para innovadores, inversores y reguladores por igual, comprender e invertir en este sistema crítico es un paso necesario hacia la electrificación aérea.
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