Esta seção transversal de um motor a jato turbofan mostra os componentes do núcleo menor do motor do projeto HyTEC, com o compressor, combustor e turbina anotados. Ao encolher o núcleo do motor, pode ser alcançada uma melhor eficiência de combustível.
E se disséssemos que poderíamos reimaginar a maneira como um motor a jato funciona para gerar a mesma quantidade de energia usando menos combustível?
Nossos inovadores aeronáuticos estão projetando um novo motor a jato que, comparado aos motores atuais, produzirá o mesmo empuxo e até terá a mesma aparência externa, mas é mais eficiente em termos de combustível.
HyTEC, ou Hybrid Thermally Efficient Core, é um projeto da NASA iniciado em junho de 2021 que busca tornar a indústria da aviação mais sustentável , desenvolvendo um pequeno núcleo para um motor a jato turbofan que aumenta a eficiência do combustível.
O projeto também inclui trabalho de hibridização – desenvolvimento de métodos para extrair mais energia elétricadeste motor para alimentar outros sistemas a bordo da aeronave, o que poderia aumentar a eficiência de combustível da mesma forma que um carro híbrido faz.
Assim que essas tecnologias verdes forem demonstradas e comprovadas, o objetivo da HyTEC é tê-las prontamente disponíveis para adoção pelo setor de aviação na próxima década.
“O que estamos tentando fazer na NASA é impulsionar mais tecnologias de propulsão sustentável de próxima geração em motores a jato usando nossa experiência e financiamento exclusivos”, disse Anthony Nerone, que lidera o projeto HyTEC do Centro de Pesquisa Glenn da NASA em Cleveland. “Com o motor de núcleo pequeno em específico, estamos visando uma redução de 5 a 10% no consumo de combustível.”
Motores a Jato 101
Para explicar melhor o que a HyTEC está fazendo para tornar os motores a jato turbofan mais eficientes, uma rápida atualização sobre como eles funcionam pode ser útil.
Girando bem na frente do motor está o ventilador, que puxa continuamente uma grande quantidade de ar para dentro do motor. O ventilador gera a maior parte do empuxo que move o avião para frente.
Parte do ar recolhido pelo ventilador, no entanto, flui para trás em sua fonte de energia – o núcleo do motor. Esta característica define um motor turbofan.
A primeira parada no núcleo é um componente chamado compressor. O compressor é composto de muitas pequenas lâminas giratórias. Ele espreme o ar – semelhante a como você pode espremer o ar dentro de uma garrafa de água vazia. Isso aumenta a pressão do ar no núcleo do motor.
O ar comprimido é alimentado no combustor, também conhecido como câmara de combustão. Aqui, o combustível é adicionado ao ar comprimido e inflamado, criando ar quente e de alta velocidade.
O ar comprimido, aquecido e expandido faz mais uma parada antes de sair do motor. A lâmina da turbina, localizada perto da parte traseira do motor, extrai a energia do ar de alta pressão e temperatura para manter o ventilador na frente girando e puxando mais ar.
Finalmente, o ar sai pelo bocal – a extremidade traseira do motor a jato. Ao expandir rapidamente o ar dessa maneira, o núcleo do motor aumenta o empuxo do ventilador necessário para empurrar o avião para frente.
Ao longo do caminho, a energia é gerada pelos componentes giratórios no núcleo do motor para carregar os componentes elétricos da aeronave, semelhante à forma como a bateria do seu carro é recarregada durante a condução na interestadual.
Nesta ilustração, o estado da arte atual é retratado ao lado do objetivo da HyTEC, com o tamanho de uma moeda de dez centavos dos Estados Unidos para escala. Um “estator” é o componente fixo de um motor, em oposição a um rotor.Créditos: NASA
A alta tecnologia da HyTEC
A chave para o trabalho da HyTEC é o que chamamos de taxa de desvio. Esta é a proporção de quanto ar o ventilador empurra para fora versus quanto entra no núcleo do motor para alimentar o próprio ventilador.
Por exemplo, os motores GE usados atualmente no Boeing 787 Dreamliner têm uma taxa de desvio de 9. Isso significa que nove vezes mais ar desvia do núcleo do motor como empuxo em vez de entrar no núcleo.
A HyTEC está trabalhando para aumentar drasticamente essa taxa de desvio. O projeto visa criar um motor com uma taxa de desvio de 15, mantendo o ventilador do mesmo tamanho enquanto encolhe o núcleo do motor – tudo isso mantendo o mesmo nível de empuxo.
Para manter o mesmo nível de empuxo de um núcleo maior, no entanto, a pressão e a temperatura do ar que é empurrado para o núcleo aumenta. Este núcleo menor e mais eficiente, alimentando uma ventoinha de tamanho igual, fornecerá o mesmo empuxo usando menos combustível.
Como os materiais atualmente usados na construção do motor não podem suportar o aumento da pressão e do calor, o projeto está desenvolvendo materiais de construção mais novos e mais duráveis, como compósitos de matriz cerâmica e revestimentos de barreira ambiental.
Esses materiais devem ser testados e comprovados em laboratório . Pesquisadores estão atualmente trabalhando nos laboratórios de materiais da NASA Glenne nas instalações dos parceiros para garantir que os materiais em potencial possam suportar o calor e a pressão e sejam suficientemente duráveis.
Com um núcleo de motor menor, aspectos como proporções e dimensões de projeto ou aerodinâmica mudam, causando penalidades de eficiência. Para manter o desempenho enquanto reduz o tamanho, novas inovações e projetos de tecnologia precisam ser investigados e testados.
Depois que esses componentes forem demonstrados, a equipe HyTEC trabalhará com parceiros do setor para construir um pequeno núcleo totalmente operacional e executá-lo em seu ritmo. Durante esta fase, eles examinarão quanto mais energia elétrica pode ser extraída do motor de núcleo pequeno, o que também aumenta a eficiência de combustível do motor, tornando-o mais híbrido.
“No momento, o motor mais eletrificado do Boeing 787 Dreamliner, e esses motores fornecem 5% de sua potência à eletricidade. Queremos saltar para 10-20%. Isso é 2-4 vezes mais energia elétrica”, disse Nerone.
Essa energia elétrica pode ser usada de várias maneiras – desde alimentar sistemas elétricos a bordo da aeronave até adicionar tecnologia híbrida aos próprios motores a jato, aumentando a potência durante o voo.
Um novo motor para uma nova frota
Uma vez que o HyTEC demonstra um pequeno núcleo totalmente operacional que prova que toda a tecnologia funciona em conjunto, cabe aos parceiros da indústria da NASA assumir a liderança.
O plano da NASA é colaborar com as empresas de motores para disponibilizar tecnologias de núcleo pequeno muito mais cedo do que o planejado, para que os fabricantes de motores a jato possam ter o núcleo pequeno pronto a tempo para uso em frotas de aviação em meados da década de 2030.
A essa altura, espera-se que tecnologias de aviação ainda mais sustentáveis estejam entrando no mercado. A peça do quebra-cabeça da HyTEC para a Sustainable Flight National Partnership é desenvolver o motor de núcleo pequeno, mas a NASA também tem outros objetivos.
“Os novos núcleos do motor são projetados para economizar de 5 a 10% em combustível, mas combinados com outras iniciativas podem aumentar ainda mais essa economia de combustível”, disse Nerone.
A quantidade de trabalho que a HyTEC está se preparando para concluir em seu cronograma é uma meta ambiciosa, mas a equipe está à altura da tarefa.
“Desde que montamos uma equipe e dissemos ‘olha, é isso que temos que fazer neste período de tempo’, todo mundo se esforçou e fez sua parte”, disse Nerone. “É um testemunho para o pessoal da NASA e todos que trabalham no HyTEC. Nós temos as pessoas. Nós temos o talento. Nós podemos fazer isso.”
Diretoria da Missão de Pesquisa Aeronáutica John GouldÚltima atualização: 8 de junho de 2022Editor: Lilian Gipson