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Ingeniería aeronáutica

La llegada de los autos voladores

Distintos proyectos impulsan el desarrollo de prototipos de eVTOLs en Brasil y en el mundo

Los autos voladores, como los que surcan los cielos en el dibujo animado Los Supersónicos (The Jetsons), lanzado en los años 1960, o los de la distopía futurista Blade Runner, de 1984, fueron durante mucho tiempo tan solo una obra de ciencia ficción. En la actualidad, diversas iniciativas apuntan a convertir a esas aeronaves en una realidad. Distintas empresas de todo el mundo tienen proyectos de vehículos voladores eléctricos capaces de transportar pasajeros de un sitio a otro como si fueran taxis aéreos. Estos aparatos, a los cuales se los conoce por la sigla eVTOL, acrónimo en inglés que significa vehículo eléctrico de despegue y aterrizaje vertical, figuran entre los proyectos para reducir los congestionamientos y mejorar la calidad del aire en las grandes ciudades. Para que eso sea posible deben superarse varios retos, comenzando por la factibilidad técnica de los propios vehículos.

Los japoneses de Toyota realizaron en julio el primer vuelo experimental del prototipo de su auto volador, SkyDrive, una de las estrellas de la apertura de los Juegos Olímpicos de Tokio 2020. La aeronave tendrá la misión de encender el pebetero olímpico de la competencia. A mediados de este año, la ciudad de Washington, en Estados Unidos, también fue sede del mayor evento global dedicado a proyectos de eVTOL. Uno de los diseños conceptuales presentados en el Uber Elevate Summitt fue ideado por los ingenieros de EmbraerX, empresa subsidiaria para proyectos de negocios innovadores de la compañía brasileña Embraer. La aeronave en cuestión, concebida para transportar a cuatro pasajeros además del piloto, fue diseñada con un sistema propulsor compuesto por diez rotores (o hélices) de bajo ruido y dos alas fijas.

Para Antonio Campello, CEO de EmbraerX, la movilidad aérea urbana evolucionará hasta convertirse en un medio de transporte importante en la próxima década. El prototipo de la empresa es solamente uno más de los que integran una iniciativa global lanzada por Uber hace tres años. Luego de los resultados frustrantes con UberCopter, una modalidad en la que la gente podía solicitar helicópteros mediante una aplicación, la empresa decidió invertir en un nuevo tipo de transporte aéreo compartido y lanzó el programa Uber Elevate. El plan de Uber contempla el inicio de sus operaciones comerciales a partir de 2023.

Los eVTOLs combinan características propias de helicópteros y aviones. Al igual que los primeros, flotan, despegan y aterrizan verticalmente, por eso no necesitan pistas largas para operar. También pueden desplazarse hacia adelante, hacia atrás y hacia los costados. Una diferencia con los helicópteros es el concepto de alas fijas, una estructura con la que estos no cuentan, y también la cantidad de rotores. Mientras que la mayoría de los helicópteros modernos dispone de dos rotores –el mayor, generalmente ubicado por encima de la cabina, responsable del movimiento de ascenso y descenso del aparato y de algunas maniobras, y uno menor, en la cola, que también se utiliza para realizar maniobras–, los eVTOLs que se están proyectando disponen de varios rotores que trabajan en conjunto.

La similitud principal entre los eVTOLs y los aviones es la existencia de alas fijas. “Estas les confieren una mayor estabilidad durante el vuelo y mayor autonomía [tiempo máximo de vuelo o distancia máxima recorrida por el vehículo]”, explica el ingeniero electricista Guilherme Augusto Silva Pereira, del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). Según Silva Pereira, el flujo del aire que pasa debajo de las alas ayuda a mantener la aeronave más tiempo en el aire consumiendo menos energía.

Otra característica de los eVTOLs reside en que, además de ser eléctricos, pueden tener fuentes híbridas de energía, tales como baterías, células fotovoltaicas y células de combustible. Los aviones y helicópteros utilizan principalmente combustible de aviación, derivado del petróleo, para impulsar sus motores, aunque existen proyectos de aviones eléctricos en curso.

Sin pilotos
Los eVTOLs del programa de Uber volarán a una velocidad de 240 a 320 kilómetros por hora (km/h), a una altura variable entre 330 y 600 metros (m), según se informa en un estudio que divulgó la compañía, una velocidad y un nivel de vuelo similares a las de los helicópteros. Una única recarga de batería será capaz de aportar una autonomía de vuelo de casi 100 km. Se espera que un viaje desde el centro de São Paulo hasta la ciudad de Campinas, equivalente a una distancia de casi 100 km, pueda realizarse en unos 18 minutos con los vehículos voladores, mientras que para cubrir ese trayecto en coche se necesitan más de dos horas.

Si bien fueron concebidas para ser autónomas, es decir, para volar sin intervención humana, inicialmente estas aeronaves serán controladas por pilotos. Las metrópolis de Dallas y Los Ángeles, en Estados Unidos, y Melbourne, en Australia, son las elegidas para ser las sedes de los primeros test de vuelo del programa Uber Elevate, programados para mediados de 2020.

Uber pretende construir sitios específicos de aterrizaje y despegue, denominados skyports para sus autos voladores, pero también espera contar con la infraestructura de helipuertos de algunas ciudades, tales como São Paulo, uno de los centros urbanos seleccionados para recibir a los eVTOLs de la empresa. La ciudad dispone de una de las mayores flotas globales de helicópteros, compuesta por 420 aparatos, y casi 200 helipuertos activos.

El ingeniero de control de automatización Guilherme Vianna Raffo, del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UFMG, explica que, desde el punto de vista académico, el desarrollo de los eVTOLs se encuentra bastante avanzado. “Varios sistemas de navegación y control para la detección y elusión de obstáculos, identificación de fallas de sistemas y maniobras violentas están siendo creados o ya lo han sido para acoplarlos a esas aeronaves”, dice Raffo, quien trabaja con los eVTOLs desde su doctorado, que realizó en la Universidad de Sevilla, en España, entre 2007 y 2011. El investigador participa actualmente en un proyecto que llevan adelante las universidades Federal de Minas Gerais (UFMG), Federal de Santa Catarina (UFSC) y de Sevilla, cuya meta es el desarrollo de un eVTOL para colaborar con el servicio de rescate y atención médica de urgencia en España.

Los principales grupos de estudio del área, según Raffo, se encuentran en el Laboratorio General de Robótica, Automatismo, Monitoreo y Reconocimiento de la Universidad de Pensilvania, en Estados Unidos, en el Instituto de Sistemas Dinámicos y Control de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, en Suiza, y en el Grupo de Robótica, Percepción y Control de la Universidad de Sevilla. En Brasil, la UFMG, el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), con sede en São José dos Campos (São Paulo), la Universidad de São Paulo (USP), en su campus de São Carlos, y la UFSC despuntan  en cuanto a la realización de investigaciones en pos del perfeccionamiento de estas tecnologías.

Los proyectos en el área están siendo ejecutados por las propias empresas o en forma conjunta con universidades y otras instituciones. Eso es lo que Uber está haciendo. Para que esas aeronaves sean viables en tan poco tiempo, la empresa suscribió convenios con Boeing, la fabricante de helicópteros Bell, la agencia espacial estadounidense (Nasa), la Universidad de Texas, en Austin (EE.UU.), y la Escuela Politécnica de París, en Francia. Junto a esta última, creó un Centro Avanzado de Investigación y Desarrollo, el primero del grupo fuera de Estados Unidos, fruto de una inversión cercana a los 20 millones de euros (93 millones de reales) durante los próximos cinco años. El centro francés llevará a cabo estudios para el desarrollo de prototipos de eVTOLs y se abocará a la creación de una infraestructura de apoyo para el desplazamiento de esos vehículos en las ciudades.

En Brasil, además de trabajar en un concepto de eVTOL, Embraer estudia la implementación de un ecosistema de investigación y desarrollo (I&D) para viabilizar la atención de la potencial demanda de este nuevo tipo de movilidad urbana. Esto implica, entre otras cosas, el perfeccionamiento del sistema de control del tráfico aéreo urbano. “Es imprescindible asegurar rutas de navegación seguras para esas aeronaves”, declara el científico de la computación Felipe Leonardo Lôbo Medeiros, del Instituto de Estudios Avanzados del Departamento de Ciencia y Tecnología Aeroespacial (IEAv-DCTA), en São José dos Campos.

La compañía Atech, una subsidiaria de Embraer especializada en soluciones para el tráfico aéreo, ya trabaja en un sistema capaz de integrar la demanda futura de uso del espacio aéreo urbano brasileño para los eVTOLs. La idea consiste en garantizar la convivencia segura de los diversos tipos de transporte aéreo (aviones, helicópteros y eVTOLs). “La demanda de vuelos se incrementará mucho durante las próximas décadas y se necesitará un sistema capaz de administrar ese tráfico de aeronaves en el espacio aéreo urbano”, explica Marcos Resende, director de negocios y tecnología de Atech.

La empresa cuenta con experiencia en el área y creó, mediante un convenio con el Departamento de Control del Espacio Aéreo (Decea), subordinado al Comando de la Aeronáutica, los sistemas de control y gestión del tráfico aéreo civil y militar que hoy operan en Brasil. “Estamos utilizando nuestro conocimiento y nuestra experiencia para diagramar, en conjunto con EmbraerX y el Decea, cómo será ese proceso cuando los cielos de las ciudades sean colonizados por los eVTOLs”, comenta Resende.

Del otro lado del mundo, China sigue con atención a esta nueva tecnología de los autos voladores. Recientemente, la autoridad de aviación civil china publicó un esbozo de directrices sugiriendo el establecimiento de un estándar regulatorio para los eVTOLs durante el año próximo. El país contempla que para 2035 esté operando un sistema de gestión aérea que incluya a estas aeronaves.

Los chinos también están desarrollando su propio eVTOL. La empresa Ehang ya ha realizado los primeros ensayos con su prototipo. Según afirma, fueron más de mil vuelos en diversas condiciones. Por ahora, la aeronave Ehang 184 es unipersonal, pero la compañía pretende crear un modelo de dos plazas. En los test, ese modelo realizó ascensos verticales de 300 m, transportando más de 230 kilogramos (kg), cubrió un trayecto de hasta 15 km y alcanzó una velocidad de 130 km/h.

Otras empresas por el mundo tienen proyectos en curso de autos voladores, en diferentes fases de desarrollo. “Buena parte ya disponen de prototipos funcionales, pero todavía están trabajando para convertirlas en una tecnología segura y confiable”, explica Pereira, de la UFMG. Ese es el caso de Kitty Hawk, una startup creada por Larry Page, uno de los fundadores de Google, que recientemente lanzó el Cora. Esta aeronave experimental autónoma y eléctrica registró un buen desempeño en las pruebas llevadas a cabo en Nueva Zelanda, volando a unos 110 km/h.

La fábrica europea de aviones Airbus también trabaja en la creación de su propio modelo de eVTOL, el Vahana. La aeronave está equipada con una cabina para un solo pasajero instalada sobre una especie de trineo y dispone de ocho hélices, cuatro al frente y cuatro detrás. El prototipo entró en fase de pruebas en febrero de 2018 y la empresa espera iniciar la producción de los primeros modelos el año que viene. En California, la firma Joby Aviation está abocada al desarrollo de un eVTOL de dos plazas con 12 rotores distribuidos por sus alas y cola.

Baterías más eficientes
Más allá del proyecto del vehículo en sí mismo, de la infraestructura de aterrizaje y despegue, y de un sistema de control del tráfico aéreo, existe otro desafío que concierne a la eficiencia energética de los eVTOLs. “Las baterías que utilizan estas aeronaves aún son pesadas y energéticamente poco eficientes. Para que puedan volar durante más tiempo consumiendo menos energía, los científicos de todo el mundo trabajan para elevar la eficiencia aerodinámica y de los motores de estos autos voladores”, comenta el ingeniero electricista Guilherme Pereira.

Una de las apuestas apunta a soluciones híbridas para la generación de energía eléctrica, con células fotovoltaicas y células de combustible. “En la actualidad se está invirtiendo fuertemente en la obtención de baterías más eficientes, principalmente para atender la demanda de los autos eléctricos”, resalta Guilherme Raffo de la UFMG. “Ciertamente, los eVTOLs se beneficiarán con esta mejora tecnológica”, sostiene. Para Felipe Medeiros, del IEAv-DCTA, lo ideal es que las baterías puedan recargarse en intervalos breves de tiempo y que tengan la menor masa posible, incrementando la capacidad de carga útil del eVTOL.

El investigador cita como ejemplo la evolución energética que acarrearon los drones. Al comienzo de la década de 2000, los dispositivos de alrededor de 2 kg tenían una autonomía de vuelo que llegaba a 10 minutos. Hoy en día hay vehículos que vuelan hasta 1 hora sin necesidad de recargar sus baterías. “Los eVTOLs para el transporte de personas son mayores, lo que les permite llevar más baterías y, así, disponer de una buena autonomía en vuelos de cortas distancias, dentro de las ciudades”, comenta Raffo. “Con el desarrollo científico y tecnológico actual, tanto en la academia como en la industria, y con los diversos prototipos que ya han lanzado las empresas y que están en fase de test de vuelo, considero factible el uso masivo de estas aeronaves para el transporte de pasajeros dentro de algunas décadas”.

En la agricultura de precisión
Un vehículo proyectado en la USP podrá utilizarse para realizar actividades en el campo

El empleo de los eVTOLs podría ir más allá del mero transporte de pasajeros en los grandes centros urbanos. Científicos del Departamento de Sistemas de Computación del Instituto de Ciencias Matemáticas y de Computación (ICMC) de la USP en São Carlos desarrollaron un modelo para su aplicación en la agricultura. El proyecto está coordinado por la científica de la computación Kalinka Castelo Branco. Junto a su equipo, ella construyó el prototipo de un eVTOL que fue bautizado con el nombre de Avalon. “Ideamos todo el sistema con miras a su aplicación en la agricultura de precisión, interviniendo sobre todo en el monitoreo de plantaciones y en el mapeo de cultivos, entre otras utilidades posibles”, explica Castelo Branco.

“La aeronave, dotada de un solo motor, se asemeja a un avión, pero es capaz de despegar y aterrizar verticalmente”, dice Natassya Silva, quien participó en el desarrollo del Avalon y actualmente es docente en la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (UTFPR), en la localidad de Procópio Ferreira. La ventaja principal del eVTOL ideado en São Carlos en comparación con los drones radica en que puede volar por más tiempo consumiendo menos energía. Los rotores de los drones necesitan trabajar a su capacidad máxima todo el tiempo para proveer sustentación en el aire, mientras que los motores de los eVTOLs trabajan a plena carga solamente durante el despegue y aterrizaje. Cuando el aparato vuela en forma horizontal, su sustentación en el aire se robustece con el uso del ala fija.

Proyecto
Un sistema de control enfocado en ayudar a la minimización de la deriva: Especificación de un VTOL (nº 12/13641-1); Modalidad Beca doctoral; Investigadora responsable Kalinka Castelo Branco (USP); Becaria Natássya Barlate da Silva; Inversión R$ 173.525,93

Artículo científico
KALISWAL, A. et al. Role of flying cars in sustainable mobility. Nature Communications. 9 abr. 2019.

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