El motor iónico: una alternativa sostenible a los motores de combustión en aviación

El proyecto ha consistido en la fabricación y pruebas del prototipo de un motor iónico a escala escolar. El origen del proyecto fue buscar una alternativa sostenible al tráfico aéreo, ya que sus emisiones de carbono suponen el 13,9 % de las totales, según la Agencia Europea para el Medio Ambiente. Dado que reducir estas emisiones es crucial para la lucha contra el cambio climático, encontramos que el motor iónico es una posible alternativa a los motores de turbina y decidimos crear una versión miniaturizada para poder estudiarla en más detalle. Nuestra motivación es demostrar empíricamente una solución a escala escolar, diseñando y fabricando un prototipo de motor iónico que sirva como alternativa a los motores de turbina para la aviación.

El motor iónico es una alternativa prometedora porque se trata de un motor eléctrico y sin partes móviles. Esto le da una gran ventaja sobre los motores convencionales, ya que no producen gases de efecto invernadero y son más silenciosos y eficientes. Además, al no tener partes móviles, desde el punto de vista de la mecánica son claramente mejores, ya que el mantenimiento y fabricación son más baratos y sencillos. Este tipo de motor ya se ha usado en un modelo de avión experimental en el MIT en 2018, que consiguió volar como un avión regular, pero por primera vez en la historia no tenía ninguna parte móvil. Estos motores tienen algunas desventajas, como el bajo empuje o la necesidad de usar alta tensión (>70 000 V).

Para desarrollar el proyecto hemos investigado sobre el funcionamiento de estos motores y la física que hay detrás de ellos para orientarnos en nuestro diseño. Es necesario saber lo que es el plasma, el cuarto estado de la materia, que se obtiene cuando a un gas se le suministra mucha energía y los electrones de los átomos se separan de los núcleos, haciéndolo conductor y reactivo a los campos electromagnéticos. El plasma puede ser “plasma caliente”, si se obtiene al calentar el gas, o “plasma frío”, si se produce al someter el gas a una alta tensión.

Metodología

El proyecto consta de dos grandes fases: una primera de diseño, fabricación, montaje y pruebas de motor; y una segunda etapa experimental para comprobar el rendimiento del prototipo, controlando las variables (distancia entre los electrodos y la variación del voltaje) que más influyen en el rendimiento del motor.

Primera fase

Esta etapa consistió en el diseño de distintos prototipos mediante modelado 3D en FreeCad, la construcción de los modelos optimizando su diseño, el perfeccionamiento de los acabados para mejorar su funcionamiento y las pruebas necesarias para comprobar el funcionamiento del motor iónico a escala escolar.

Comenzamos verificando la viabilidad de fabricar un motor iónico funcional con materiales accesibles. El primer prototipo, compuesto por un tubo de cobre y un cable con puntas abiertas, nos permitió confirmar el movimiento del aire al aplicar un voltaje (figura 1). Luego, diseñamos un primer modelo en 3D, en el que el cátodo consistía en dos conos truncados concéntricos y el ánodo era un tubo con relieves puntiagudos para facilitar la ionización del aire. Tras imprimir las piezas en PLA, un termoplástico muy usado en impresión 3D, aplicamos distintos tratamientos conductores (figura 2), aunque inicialmente no obtuvimos la conductividad deseada. Tras probar con pinturas conductoras y un recubrimiento por electrólisis con sulfato de cobre, no logramos resultados satisfactorios.

Dado que no conseguimos la conductividad adecuada, decidimos fabricar un nuevo prototipo con piezas en acero (figura 3). Para ello, contactamos con la empresa Hermanos Pérez Pardo, de Madrid, quienes nos ayudaron a producir un modelo más robusto que logró generar viento iónico al aplicarle voltaje. Sin embargo, el peso y las imperfecciones de las piezas limitaban su utilidad en la fase experimental. Seguimos investigando y encontramos una pintura conductora de carbono y agua de la marca Liquiwire conseguida en Amazon, que resultó eficaz. Esto nos permitió fabricar un modelo funcional y ligero. Para perfeccionar el diseño, creamos un nuevo modelo en 3D con soportes ajustables, permitiendo modificar la distancia entre el cátodo y el ánodo. El diseño final incorporó tuercas y varillas roscadas para facilitar los ajustes durante la experimentación (figura 4).

Segunda fase

La fase experimental consistió en analizar el rendimiento del motor, midiendo el empuje, variando factores como la distancia entre los polos y la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. Para ello, utilizamos una báscula de precisión donde colocamos el motor creando una propulsión dirigida hacia arriba (figura 5). Al medir el aumento de peso registrado por la balanza, tras encender el motor, pudimos determinar la fuerza de propulsión en milinewtons, multiplicando por el valor de la gravedad la variación de peso indicada por la balanza.

Para evaluar el efecto de la distancia entre el ánodo y el cátodo, realizamos mediciones a intervalos de 4 mm, desde una separación inicial de 20 mm hasta 40 mm. Para 32 mm, que fue el mejor resultado, analizamos la influencia del voltaje, aumentando la tensión a la entrada del transformador de alta tensión desde 2,8 V hasta 4,4 V en intervalos de 0,4 V. Durante estas pruebas, tuvimos complicaciones con el transformador de alta tensión, ya que se calentaba rápidamente, reduciendo su eficiencia. Para obtener resultados más precisos, tomamos varias mediciones para cada configuración y registramos el valor más alto obtenido antes de que el transformador perdiera eficiencia por sobrecalentamiento. Como consecuencia, el proceso experimental requirió pausas prolongadas para permitir que el transformador volviera a su temperatura normal antes de continuar con nuevas pruebas.

Tercera fase

En la etapa final del proyecto, surgieron nuevas oportunidades para poner a prueba el motor iónico en condiciones reales de funcionamiento. Decidimos probarlo en un globo sonda, lo que nos permitiría obtener datos sobre su rendimiento en condiciones de baja presión y temperatura. La posibilidad de llevar a cabo este experimento se consiguió gracias a la propuesta de nuestro instituto, el IES Alameda de Osuna, de participar en el proyecto llamado “Tu experimento en un globo sonda” de la Dirección General de Bilingüismo y Calidad de la Enseñanza de la Comunidad de Madrid. Para esta fase trabajamos en la programación de una placa Arduino que activaba el motor en altura y registraba los datos de manera autónoma. Además, diseñamos una nueva versión del motor reduciendo su peso a menos de 150 gramos, para cumplir con las limitaciones del experimento. También implementamos sensores de fuerza para medir el empuje del motor en condiciones extremas y adoptamos medidas de seguridad para prevenir accidentes durante el vuelo (figuras 6, 7 y 8).

Nuestro trabajo nos permitió no solo fabricar un motor iónico funcional y optimizado, sino también desarrollar un enfoque experimental riguroso para evaluar su rendimiento. A través de este proyecto, logramos superar diversos desafíos técnicos y sentamos las bases para futuras investigaciones en este campo. En la figura 9 se representa un esquema con las componentes del dispositivo, y la figura 10 muestra el dispositivo ya construido, así como el globo sonda en el que se envió.

Resultados

Con la metodología ya expuesta, se recogieron los datos mostrados en las tablas 1 y 2, que aparecen en forma gráfica en las figuras 11 y 12, respectivamente, los cuales que se ajustan a las hipótesis planteadas.

Conclusiones

Durante esta investigación hemos cumplido nuestro objetivo de obtener nuevos conocimientos sobre tecnología y propulsión aeroespacial [5,10]. Hemos comprobado que es una alternativa sostenible a los motores de turbina convencionales que se usan en el sector aeroespacial, pues se consigue la misma fuerza propulsiva utilizando un motor eléctrico sin partes móviles, lo que reduce el desgaste de las piezas y alarga la vida útil del motor, de forma que se reduce también la producción de residuos. Además, tiene un gran potencial teniendo en cuenta que es un modelo que funciona correctamente con materiales muy rudimentarios. Por tanto, si alguna empresa de fabricación de motores propulsores destinara recursos a la investigación en este campo se podrían diseñar modelos con un mayor rendimiento, viables para el uso comercial.

Tras analizar los resultados obtenidos en la parte experimental de este proyecto, podemos sacar las siguientes conclusiones. Respecto a la gráfica que relaciona la distancia y el empuje (figura 11), podemos observar que, con 3,6V a la entrada del transformador, el empuje vale 0 mN cuando la distancia es de 20 mm y alcanza los 9 mN cuando la distancia es de 24 mm. Esto sucede porque cuando la distancia es demasiado pequeña, las regiones de aire ionizado se unen en una sola y se forman arcos voltaicos, por lo que toda la corriente circula por este arco y no sigue ionizando el aire para generar empuje, de forma que se desaprovecha la energía. A partir de 24 mm el empuje va en aumento hasta los 32 mm, donde se alcanza el máximo rendimiento. Si la distancia es superior a 32 mm, el empuje disminuye por la incapacidad para ionizar el aire, por este motivo, cuando la distancia es muy grande tampoco se alcanzan los valores óptimos. En 32 mm la relación entre la distancia y la diferencia de potencial es la que nos proporciona el mejor resultado.

En cuanto al estudio sobre el cambio en el voltaje (figura 12), se puede apreciar que cuando la tensión a la entrada del transformador es de 2,8 V, el empuje es bajo y va aumentando según lo hace la tensión, pero en 4,8 V no hay datos porque los arcos voltaicos eran muy grandes y por seguridad no tomamos más medidas, pero la propulsión habría sido nula, ya que al igual que en la gráfica anterior, el campo eléctrico entre los electrodos no estaría ionizando el aire. En este caso podemos concluir que la propulsión aumenta según lo haga la diferencia de potencial, hasta un punto en el que se forman arcos voltaicos y se desaprovecha la energía inyectada en el motor iónico.

Autoría: Daniel Sáez Horcas y Daniel Díaz-Tejeiro Calero, IES Alameda de Osuna, Madrid.

Este artículo fue publicado originalmente en Revista Española de Física.