Baseado em uma entrevista com a Dra. Anita Sengupta
Imagens de sociedades futuristas há muito incluem transporte aéreo urbano de alta tecnologia para cidadãos comuns. Com pequenos drones se tornando onipresentes, esse tipo de futuro parece estar ao nosso alcance. Com a expansão das aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (eVTOL), uma parcela significativa da população espera redução do congestionamento, deslocamentos mais curtos, maior acessibilidade e mais sustentabilidade.
Muitos também se perguntam o que está atrasando esse futuro. Quando iremos além dos drones que entregam pacotes para táxis aéreos capazes de transportar passageiros humanos entre regiões e áreas urbanas por períodos prolongados?
Segundo a Dra. Anita Sengupta, CEO da Hydroplane, uma promissora fabricante de sistemas de propulsão baseados em células de combustível de hidrogênio, a resposta para essas questões está na solução de quatro desafios principais: limitações de densidade de potência, concorrência com tecnologias aeronáuticas estabelecidas, requisitos de confiabilidade para voo autônomo e preocupações de sustentabilidade associadas aos motores de combustão.
Desafio 1: Densidade de Potência
VTOLs não elétricos são utilizados há décadas na forma de helicópteros e outras aeronaves, como o Bell Boeing V-22 Osprey. No entanto, quase todas essas aeronaves dependem de motores de combustão interna. À medida que fabricantes de VTOL direcionam suas ambições para motores elétricos e baterias visando reduzir poluição sonora e atmosférica, eles enfrentam o desafio da densidade de potência. Em outras palavras, os eVTOLs precisam de potência suficiente para operar voos urbanos e regionais quase constantes utilizando baterias leves.
Segundo Sengupta: “Na aviação, peso é tudo. Baterias são pesadas e conseguem realizar voos curtos, mas quando começamos a falar sobre alcance significativo e rápida retomada de operação, os números simplesmente não fecham.”
Atualmente, a maioria dos eVTOLs consegue operar entre 20 e 30 minutos de voo por carga e depois precisa permanecer um tempo significativo em solo para recarregar. “Isso pode ser suficiente para mover pessoas por uma distância limitada dentro de uma determinada área metropolitana, mas não muito além disso”, continua Sengupta. “Na mobilidade aérea urbana, transporte de carga e voos regionais, cada minuto e cada quilo contam. O tempo necessário para recargas frequentes reduziria significativamente o número de pessoas que um táxi aéreo poderia transportar em determinado período.”
Solução
Para superar os desafios de densidade de potência das baterias elétricas, a equipe da Hydroplane recorreu às células de combustível de hidrogênio. Essas células geram eletricidade por meio de uma reação eletroquímica entre hidrogênio e oxigênio, produzindo água, calor e eletricidade.
“A propulsão elétrica alimentada por células de combustível de hidrogênio oferece densidade energética muito maior”, afirma Sengupta. “Isso torna possível voar mais longe e transportar mais carga, colocando a mobilidade aérea regional e os voos urbanos facilmente ao nosso alcance.”
Além disso, as células de combustível de hidrogênio da Hydroplane podem ser reabastecidas rapidamente quando necessário, diferentemente das baterias de íons de lítio, estado sólido e íons de sódio utilizadas pela geração atual de eVTOLs. “Por exemplo, no caso de transporte entre aeroportos e centros urbanos, a propulsão elétrica a hidrogênio permitiria que os eVTOLs realizassem uma rota e, com o rápido reabastecimento, retomassem rapidamente a operação”, explica Sengupta.
Desafio 2: Forte Concorrência
A próxima geração de táxis aéreos enfrenta forte concorrência de todo um ecossistema de fabricantes originais (OEMs) de aeronaves de asa fixa, asa rotativa e VTOLs tradicionais. Veículos elétricos de mobilidade aérea urbana também enfrentam o enorme desafio de competir com aeronaves movidas a motores de combustão, que possuem capacidades amplamente comprovadas e consolidadas, especialmente diante das exigências específicas da aviação.
Solução
A estratégia de Sengupta para esse desafio é evitar competição direta enfatizando modularidade. “Estamos focados em ser a ‘empresa de motores’ da indústria hidrogênio-elétrica”, explica ela. “Nosso objetivo é apoiar — e não competir com — os OEMs. Por isso, nos projetamos para sermos um substituto plug-and-play tanto para aeronaves existentes quanto novas.”
Além disso, diferentemente de outras alternativas, o powertrain baseado em células de combustível de hidrogênio da Hydroplane foi projetado especificamente para aviação.
“Ele é modular, refrigerado a líquido e integra eletrônica de potência de alta eficiência [e um] motor axial flux, tudo alimentado por uma pilha de células de combustível otimizada para voo”, afirma Sengupta. “Toda a unidade foi projetada para alta potência específica [e] encapsulamento compacto, além de atender aos padrões da aviação. Também possuímos uma arquitetura de software habilitada para [Controller Area Network (CAN)] que pode ser customizada para diversas aeronaves pilotadas e autônomas.”
Até o momento, a equipe da Hydroplane testou seu sistema de propulsão com células de combustível de hidrogênio em uma Piper Cherokee — aeronave de asa fixa movida a hélice — e em helicópteros do Exército dos Estados Unidos. Isso forneceu dados reais valiosos para melhorar futuramente a integração, operação e confiabilidade das células de combustível Hydroplane em eVTOLs e táxis aéreos.
Desafio 3: Confiabilidade
“À medida que os VTOLs caminham cada vez mais para a autonomia, isso aumenta ainda mais a pressão sobre os sistemas de propulsão para serem extremamente confiáveis”, explica Sengupta. “Por exemplo, um serviço autônomo de ônibus aéreo operando a mesma rota durante todo o dia exigirá um sistema de propulsão que demande apenas mínima indisponibilidade e manutenção previsível. E em termos de segurança, sem piloto a bordo, ele precisa possuir redundância integrada caso ocorra falha de uma célula de combustível durante o voo.”
Solução
Para enfrentar esse desafio, a equipe da Hydroplane projetou suas células de combustível de hidrogênio para serem mais confiáveis do que suas contrapartes elétricas. “Construímos nossas células de combustível com menos partes móveis, menos pontos potenciais de falha”, afirma Sengupta. “Isso resulta em redução significativa de tempo de inatividade e manutenção, tornando esses eVTOLs uma opção muito mais viável e confiável.”
Ela continua: “E, claro, nossas células de combustível de hidrogênio também abordam preocupações de segurança com redundância integrada entre módulos. Se um módulo apresentar problema, os outros módulos garantirão que você permaneça no ar.”
Desafio 4: Sustentabilidade
Embora muitos considerem os automóveis os principais responsáveis pelas emissões poluentes, motores aeronáuticos a combustão apresentam desempenho ainda pior nesse aspecto.
Helicópteros são conhecidos pelo alto consumo de combustível, superando muitos automóveis em emissões. Por exemplo, o Robinson R44, um helicóptero comumente utilizado para passeios turísticos, consome aproximadamente 60 L de combustível e produz cerca de 185 kg de emissões equivalentes de dióxido de carbono (CO2e) por hora de voo.[1] O Bell 206 JetRanger, porém, supera amplamente esse valor, com consumo de 100 L e mais de 321 kg de emissões de CO2e por hora de voo.[2]
Portanto, preencher o espaço aéreo urbano com VTOLs movidos a combustão e níveis de emissão igualmente elevados é inviável.
Solução
Os eVTOLs oferecem redução significativa de emissões poluentes porque não produzem emissões diretas. No entanto, eles ainda podem contribuir indiretamente para a poluição caso a eletricidade utilizada venha de fontes não renováveis, como carvão.
A abordagem da equipe Hydroplane elimina completamente a necessidade de utilizar eletricidade da rede ao gerar sua energia por meio de um processo totalmente livre de emissões.
“Temos orgulho de ajudar o transporte aéreo a dar um grande passo na redução drástica das emissões”, afirma Sengupta. “Esses avanços nos permitirão aproveitar os benefícios dessa maior mobilidade sem a ansiedade e culpa associadas à poluição.”
Conclusão
Segundo Sengupta e a equipe da Hydroplane, as células de combustível de hidrogênio oferecem soluções para os quatro principais desafios enfrentados pelos eVTOLs: as limitações de densidade de potência das baterias, a concorrência com tecnologias aeronáuticas estabelecidas, os requisitos de confiabilidade para voo autônomo e as preocupações de sustentabilidade associadas aos motores de combustão. Seus powertrains modulares específicos para aviação oferecem maior densidade energética, capacidade de reabastecimento rápido, menos pontos de falha e zero emissões durante o voo. Com testes bem-sucedidos já realizados em aeronaves como a Piper Cherokee e helicópteros do Exército dos Estados Unidos, as células de combustível de hidrogênio representam um caminho viável para tornar a mobilidade aérea urbana e regional sustentada uma realidade prática.
Dra. Anita Sengupta
A Dra. Anita Sengupta é engenheira aeroespacial, empreendedora em climate tech, piloto comercial e professora na USC. Como CEO da Hydroplane Ltd., ela lidera o desenvolvimento de sistemas de potência baseados em células de combustível de hidrogênio para aviação e armazenamento de energia, promovendo sustentabilidade e inovação enquanto molda o futuro da exploração espacial e do transporte sustentável.
Fontes:
[1] https://www.tasmanianhelicopters.com.au/fleet/robinson_r44_raven_1; https://www.climatiq.io/data/emission-factor/6f5a30a9-7dd6-48a7-b2d2-745789d19cab
[2] https://www.tasmanianhelicopters.com.au/fleet/bell_206_jetranger; https://www.climatiq.io/data/emission-factor/b2b48c3d-6067-49ed-82bc-b7b3c2777849
Artigo escrito pela Mouser Electronics e publicado no blog da Mouser Electronics: Hydrogen Fuel Cells Power the Future of eVTOLs
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
